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。

图形学——光线追踪⽬录光线追踪概述光线追踪的⽬标:1. 光栅化很难实现全局的效果，光线追踪可以包括soft shadow, gossy reflection, indirect illumination2. 光栅化⽐较快，但渲染质量较低，⼀般应⽤于实时渲染光线追踪渲染质量⾼，但渲染速度慢，⼀般应⽤于离线渲染Whitted-Style Ray TracingWhitted-Style基本想法图形学中对光线的假设1. 光线沿直线传播2. 光线与光线间不存在碰撞3. 光线从光源出发到达眼睛，但光路也具有可逆性，可以假设光线从眼睛出发到达光源光线投射Ray Casting步骤：1. 从眼睛出发，向每个像素发射⼀条eye ray，延申该射线，找到最近接触的物体，记录该接触点，之后再接触到的物体就代表被遮挡住了2. 从光源出发，向接触点发射shadow ray，如果接触不到则代表在阴影中，如果接触到了，计算接触点的shading，写到对应像素上Whitted-Style Ray tracing是在Ray Casting上更进⼀步⼀条eye ray会存在各种反射和折射，得到很多个接触点。

原始的eye ray我们称为primary ray，反射和折射得到的eye ray我们称为secondary ray，secondary ray的强度会减弱对于光源，我们要从光源向每个接触点发出shadow ray，计算每个接触点的shading，我们最后将这条eye ray的所有接触点的shading累加，作为对应像素的shading该种Ray Tracing存在假设：1. 眼睛和光源都是点，不具有体积2. 所有eye ray的反射都是镜⾯反射求光线和物体的交点求解概述光线我们⽤⼀个起点和⼀个⽅向来定义，可以得到光线的⽅程求光线和⼀个隐式表⾯的交点找到同时满⾜两个⽅程的解即可光线和三⾓形的交点想法：我们先判断光线是否和三⾓形所在平⾯有交点，若有交点，再判断交点是否在三⾓形内第⼀种算法对于平⾯，我们⽤⼀个点和⼀个法线来定义ax+by+cz+d=0是解出的⽅程得到了平⾯的⽅程，就与光线⽅程联⽴解出来即可知道交点情况接着，判断交点是否在三⾓形内⽤叉乘⽅法即可第⼆种算法Moeller Trumbore Algorithm⽤三⾓形的重⼼坐标来写出平⾯⽅程，与光线⽅程联⽴求解后，如果重⼼坐标的三个分量都⼤于0，则在三⾓形内部光线和三⾓形⽹格的交点最基础的⽅法：对于⼀根光线，遍历每⼀个三⾓形看其是否与光线有交点加速的⽅法：我们⽤⼀个Bounding Volumn，简称BVol来包住我们的⽬标物体存在这样的情况，如果光线连BVol都碰不到，则不可能碰到我们的⽬标物体我们定义⼀个bounding box为：三对平⾯的交集，且每⼀对平⾯都是相互平⾏的，也就是⼀个长⽅体我们经常⽤axis-aligned bounding box，简称AABB，来作为BVol，bounding box的每⼀条边都和⼀条坐标轴平⾏求光线和三⾓形⽹格的交点，我们可以先试图解决更简单的：求光线和AABB的交点我们讨论光线与每⼀对平⾯的相交情况，对于每⼀对对⾯都可以得到⼀组t_{min}和t_{max}我们在这⾥暂时假设光线是直线，则存在t < 0的情况我们⽤t_{enter}和t_{exit}分别来表⽰光线进⼊和离开BVol的时间，结合两对平⾯来看，可以得到t_{enter}=max\{t_{min}\}，t_{exit}=min\{t_{max}\}也就是光线进⼊BVol时，它进⼊了所有的平⾯，离开BVol时，离开了⼀个平⾯。

地面照度计算摘要：一、引言二、地面照度计算的概述1.定义2.意义三、地面照度计算的方法1.光线追踪法2.区域光线照度计算法3.光线投射法四、影响地面照度计算的因素1.光源性质2.地面材质3.光照环境五、地面照度计算的应用1.建筑设计2.城市规划3.照明工程六、结论正文：【引言】地面照度计算是照明设计中的一个重要环节，它关乎到建筑物内部或城市公共空间的照明效果。

合理地计算地面照度，可以有效地提高照明效果，节约能源，减少光污染。

本文将从地面照度计算的概述、方法、影响因素和应用等方面进行阐述。

【地面照度计算的概述】【定义】地面照度计算是指根据照明光源的特性、地面材质和光照环境等因素，通过一定的计算方法，预测地面上的照度分布情况。

【意义】地面照度计算的意义主要体现在以下几个方面：1.保证照明效果：合理的地面照度可以保证人们在建筑物内部或城市公共空间中的视觉舒适度，提高工作和生活的质量。

2.节约能源：通过地面照度计算，可以优化照明设计，使得照明系统在满足照明需求的同时，尽可能地减少能源消耗。

3.减少光污染：合理地控制地面照度，可以降低光污染对生态环境和人类生活的影响。

【地面照度计算的方法】地面照度计算的方法主要有以下几种：【光线追踪法】光线追踪法是通过追踪光线的传播路径，计算光线与地面的交点，从而得到地面照度。

这种方法适用于复杂场景的照度计算，但计算量较大。

【区域光线照度计算法】区域光线照度计算法是将照明空间划分为若干个区域，分别计算每个区域的光线照度。

这种方法适用于一般场景的照度计算，计算较为简便。

【光线投射法】光线投射法是将照明光源视为点光源，根据光源的投射角、地面距离等因素，计算光线在地面上的照度分布。

这种方法适用于简单场景的照度计算，计算量较小。

【影响地面照度计算的因素】影响地面照度计算的因素主要有：【光源性质】光源的性质包括光源的类型、光强、色温等，不同的光源性质会影响地面照度的计算结果。

【地面材质】地面材质对光线的反射、吸收和透射等特性不同，会影响地面照度的分布。

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。

路径追踪光子追踪
路径追踪和光子追踪是计算机图形学中两种常用的渲染技术。

路径追踪模拟了光线在场景中反射、折射、吸收等过程，通过迭
代计算逐渐逼近真实光线的传播情况，最后得到图像。

和传统的扫描
线渲染相比，路径追踪可以得到更真实的阴影和反射，但计算量较大。

光子追踪则利用了光子在物体表面投射、反射和折射的物理过程，通过大量的随机光子投射和逐步累计算出物体表面的光照强度，最后
得到图像。

光子追踪常用于没有直接光源的场景，例如室内照明、发
光材质等。

两种方法各有优缺点，根据场景需要进行选择。