Основы метода

Трассировка лучей (Ray Tracing)

Это наиболее распространенный метод. Он позволяет строить фотореалистические изображения сложных сцен с учетом отражения и преломления.

Свет распространяется от источника по прямолинейным траекториям, образуя конус с вершиной в источнике. Для простоты считаем источник точечным. Попав на некоторый объект, луч преломляется (уходит внутрь объекта) или отражается (рассеивается диффузно - равномерно или зеркально - концентрированным пучком). Рассеянный луч также распространяется прямолинейно до попадания на следующий объект. Часть лучей попадает в глаз наблюдателя, формируя на сетчатке глаза изображение.

В случае компьютера перед глазом помещается картинная плоскость (экран), где формируется изображение. Каждый луч, попадающий в глаз, проходит через некоторую точку экрана. Следовательно, для каждой точки надо проследить путь распространения света от его источника (трассу). Отсюда - название метода.

Процесс отслеживания всех лучей, выпущенных из каждого источника, с учетом отражения и преломления - ПРЯМАЯ ТРАССИРОВКА ЛУЧЕЙ. Она неэффективна, т.к. изображение формируется лишь небольшой частью лучей, возникают лишние вычисления. Чтобы использовать только существенные лучи, применяется ОБРАТНАЯ ТРАССИРОВКА, где прослеживаются лучи от глаза наблюдателя до пересечения с объектами сцены и далее в направлении к источнику. В компьютерной графике применяется обратная трассировка.

Цвет точки экрана определяется долей световой энергии, попадающей в эту точку и покидающей ее в направлении глаза. Таким образом, необходимо найти освещенность точки. Для этого из нее выпускаются лучи в направлении источников света. Эти лучи пересекаются с другими объектами сцены и т.д.

Основная задача метода трассировки лучей - определение освещенности произвольной точки и той части световой энергии, которая уходит в заданном направлении (в направлении наблюдателя или другого объекта). Эта энергия складывается из непосредственной (первичной) освещенности от источника света и вторичной освещенности от других объектов. Очевидно, что доля первичной освещенности существенно выше всех других. Поэтому обычно первичная и вторичная освещенность рассматриваются по-разному.

Расчет освещенности и распространения света основан на законах физики. Свет имеет волновую природу и рассматривается как поток частиц или электромагнитная волна. Интенсивность определяется амплитудой волны, цвет - частотой или длиной волны. Распространение света описывается уравнениями Максвелла.

Произвольный луч света практически не бывает монохромным. Он состоит из волн различной длины. Интенсивность различных волн показывает спектральный анализ. Но поскольку основная цветовая палитра состоит из трех базовых цветов, при исследовании обычно берут только длины волн красного, зеленого и синего цветов. Остальные цвета - их комбинация.

При анализе распространения света учитывается его затухание для однородных сред, а также отражение и преломление на границе раздела двух сред. Из физики известны модели (формулы) для различных условий распространения света. В большинстве случаев они идеализированы (модели всегда идеализированы, в этом их смысл). Границей раздела двух сред в моделях является плоскость.

Для вторичных источников учитывается зеркальное отражение, диффузное отражение и преломление. При зеркальном отражении луч строго направлен. При диффузном отражении падающий свет рассеивается во все стороны с одинаковой интенсивностью. Поэтому однозначно определить направление нельзя, все направления равноправны. Идеальное диффузное отражение описывается законом Ламберта (п.6.6.1, формула (1)). При идеальном преломлении луч уходит внутрь тела в виде сосредоточенного пучка. При диффузном преломлении луч распространяется в теле одинаково по всем направлениям. Для всех этих случаев существуют формулы.

Формулы весьма сложны. Поэтому делают различные упрощения. Рассматривают только точечные источники света. При трассировке преломленного луча не учитывают зависимость его направления от длины волны. Для диффузной и зеркальной освещенности вводят веса (в зависимости от материала объектов).

Сначала подсчитывают первичную освещенность, выпуская лучи из точки ко всем источникам света. Для определения вторичной освещенности выпускают из точки один луч для отраженного свете и один - для преломленного (диффузное преломление не учитывается). Таким образом сокращается количество отслеживаемых лучей. Неидеальное зеркальное отражение лучей от других объектов не учитывается. Для компенсации неучтенных воздействий вводят так называемое фоновое освещение - равномерное освещение со всех сторон, которое ни от чего не зависит и не затеняется. В итоге в сложной формуле, которая приведена в [ 1 ], учитывается:

· освещенность от каждого из источников света;

· интенсивность (освещенность) фонового освещения;

· освещенность от каждого из отраженных лучей;

· освещенность, приносимая преломленным лучом.

Для освещенности от каждого из источников имеются коэффициенты, отражающие "вклад" источника:

· коэффициент фонового освещения;

· коэффициент диффузного освещения;

· коэффициент зеркального освещения;

· вклад преломленного луча.

Учитываются также для источников и фонового освещения цвет (длина волны), направление первичных источников света, угол отражения для отраженного луча, угол преломления, расстояние, пройденное отраженным лучом, коэффициенты ослабления для отраженного и преломленного луча. В зависимости от требований к реалистичности применяют упрощения при вычислении коэффициентов.

Алгоритм трассировки лучей ведет к древовидному разрастанию числа рассматриваемых лучей. Он является рекурсивным. В качестве критерия остановки используется отсечение по глубине и по весу. В первом случае вводят ограничение по количеству уровней рекурсии. Во втором случае учитывают уменьшение вклада каждого луча в итоговый цвет пиксела с увеличением расстояния, вводят порог прекращения трассировки.

Для учета материала, в котором распространяется луч, вводят коэффициент преломления и коэффициент поглощения среды. Свойства поверхности учитывают весами фоновой, диффузной, зеркальной, отраженной и преломленной освещенности. Объект также описывается своим цветом и материалом. В программе это структуры. Программно задается и положение наблюдателя. Переход от подсчитанной освещенности к цвету выполняется путем выделения квантов освещенности для каждого цвета. Величина кванта определяется цветностью (палитрой в 16, 256 или более цветов). Освещенность за границами предельных квантов - белое или черное.

Примеры -...\RAY_TRAC\example1.cpp,...\RAY_TRAC\example2.cpp из [ 1 ].

Дата добавления: 2014-01-11