光線追蹤的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

1、課程論文課程論文題目：光線追蹤的應(yīng)用及未來(lái)發(fā)展學(xué)院：人民武裝學(xué)院專業(yè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)班級(jí)：物聯(lián)人151學(xué)號(hào)：1500860346學(xué)生姓名：譚朝艷指導(dǎo)教師：寧陽(yáng)2016年6月3日貴州大學(xué)課程論文目錄摘要II第一章緒論11.1 光線追蹤的定義11.2 光線追蹤的原理11.2.1 自然現(xiàn)象11.2.2 光線追蹤的原理11.3 光線追蹤的特點(diǎn)31.3.1 光線追蹤的優(yōu)點(diǎn)31.3.2 光線追蹤的缺點(diǎn)3第二章光線追蹤的應(yīng)用42.1 光線追蹤在圖形渲染中的應(yīng)用42.2 光線追蹤在物理學(xué)中的應(yīng)用42.3 光線追蹤在實(shí)際應(yīng)用42.4 實(shí)時(shí)跟蹤4第三章光線追蹤的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)63.1 光線追蹤VS光柵化63.2

2、顯卡何時(shí)才能實(shí)時(shí)光線追蹤73.3 光線追蹤的未來(lái)發(fā)展II貴州大學(xué)課程論文光線追蹤的應(yīng)用及未來(lái)發(fā)展摘要光線跟蹤是一種真實(shí)地顯示物體的方法，該方法由Appe在1968年提出。光線跟蹤方法沿著到達(dá)視點(diǎn)的光線的反方向跟蹤，經(jīng)過(guò)屏幕上每一個(gè)象素，找出與視線相交的物體表面點(diǎn)P0,并繼續(xù)跟蹤，找出影響P0點(diǎn)光強(qiáng)的所有光源，從而算出P0點(diǎn)上精確的光線強(qiáng)度，在材質(zhì)編輯中經(jīng)常用來(lái)表現(xiàn)鏡面效果。光線跟蹤或稱光跡追蹤是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的核心算法之一。在算法中，光線從光源被拋射出來(lái)，當(dāng)他們經(jīng)過(guò)物體表面的時(shí)候，對(duì)他們應(yīng)用種種符合物理光學(xué)定律的變換。最終，光線進(jìn)入虛擬的攝像機(jī)底片中，圖片被生成出來(lái)。關(guān)鍵字：光線跟蹤(Raytr

3、acing),真實(shí)感貴州大學(xué)課程論文第一章緒論1.1 光線追蹤的定義光線跟蹤(Raytracing),又稱為光跡追蹤或光線追跡，來(lái)自于幾何光學(xué)的一項(xiàng)通用技術(shù)，它通過(guò)跟蹤與光學(xué)表面發(fā)生交互作用的光線從而得到光線經(jīng)過(guò)路徑的模型。它用于光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如照相機(jī)鏡頭、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡以及雙目鏡等。這個(gè)術(shù)語(yǔ)也用于表示三維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的特殊渲染算法，跟蹤從眼睛發(fā)出的光線而不是光源發(fā)出的光線，通過(guò)這樣一項(xiàng)技術(shù)生成編排好的場(chǎng)景的數(shù)學(xué)模型顯現(xiàn)出來(lái)。這樣得到的結(jié)果類似于光線投射與掃描線渲染方法的結(jié)果，但是這種方法有更好的光學(xué)效果，例如對(duì)于反射與折射有更準(zhǔn)確的模擬效果，并且效率非常高，所以當(dāng)追求這樣高質(zhì)量結(jié)果時(shí)候經(jīng)常

4、使用這種方法。1.2 光線追蹤的原理1.2.1 自然現(xiàn)象在自然界中，光源發(fā)出的光線向前傳播，最后到達(dá)一個(gè)妨礙它繼續(xù)傳播的物體表面，我們可以將“光線”看作在同樣的路徑傳輸?shù)墓庾恿鳎谕耆婵罩校@條光線將是一條直線。但是在現(xiàn)實(shí)中，在光路上會(huì)受到三個(gè)因素的影響：吸收、反射與折射。物體表面可能在一個(gè)或者多個(gè)方向反射全部或者部分光線，它也可能吸收部分光線，使得反射或者折射的光線強(qiáng)度減弱。如果物體表面是透明的或者半透明的，那么它就會(huì)將一部分光線按照不同的方向折射到物體內(nèi)部，同時(shí)吸收部分或者全部光譜或者改變光線的顏色。吸收、反射以及折射的光線都來(lái)自于入射光線，而不會(huì)超出入射光線的強(qiáng)度。例如,一個(gè)物體表面不

5、可能反射66%的輸入光線，然彳爰再折射50%的輸入光線，因?yàn)檫@二者相加將會(huì)達(dá)到116%。這樣，反射或者折射的光線可以到達(dá)其它的物體表面，同樣，吸收、反射、折射的光線重新根據(jù)入射光線進(jìn)行計(jì)算。其中一部分光線通過(guò)這樣的途徑傳播到我們的眼睛，我們就能夠看到最終的渲染圖像及場(chǎng)景。1.2.2 光線追蹤的原理精美的CG效果圖，與真實(shí)世界毫無(wú)區(qū)別的電影視覺(jué)效果，相信大家對(duì)這些并不陌生。而大家在游戲中對(duì)水面之類的場(chǎng)景并不陌生，不過(guò)它所生成的畫面效果，好像永遠(yuǎn)都不那么真實(shí)。即使人們盡再大的努力，它的畫面始終還是動(dòng)畫，和人貴州大學(xué)課程論文們心目中的“電影級(jí)別的畫質(zhì)”總是差那么一點(diǎn)。這是因?yàn)?，我們目前的游戲，無(wú)一例

6、外都在使用光柵化算法。而在這些電影中，則采用的是光線追蹤算法。在3DSMaxMayaSoftimageXSI等軟件中，也都無(wú)一例外地采用了這一算法。光線追蹤技術(shù)是由幾何光學(xué)通用技術(shù)衍生而來(lái)。它通過(guò)追蹤光線與物體表面發(fā)生的交互作用，得到光線經(jīng)過(guò)路徑的模型。簡(jiǎn)單地說(shuō)，3D技術(shù)里的光線追蹤算法，就是先假設(shè)屏幕內(nèi)的世界是真實(shí)的，顯示器是個(gè)透明的玻璃，只要找到屏幕內(nèi)能透過(guò)人眼的光線，加以追蹤就能構(gòu)建出完整的3D畫面。說(shuō)到光線追蹤，就不得不提光柵化。光柵化是指把景物模型的數(shù)學(xué)描述及其色彩信息轉(zhuǎn)換至計(jì)算機(jī)屏幕上像素的過(guò)程。使用光柵化，我們可以將幾何圖形轉(zhuǎn)化成屏幕上的像素。Direct3D使用掃描線的渲染來(lái)產(chǎn)

7、生像素。當(dāng)頂點(diǎn)處理結(jié)束之后，所有的圖元將被轉(zhuǎn)化到屏幕空間，在屏幕空間的單位就是像素。點(diǎn)，線，三角形通過(guò)一組光柵規(guī)則被轉(zhuǎn)化成像素。光柵規(guī)則定義了一套統(tǒng)一的法則來(lái)產(chǎn)生像素。光柵得到的像素一般會(huì)攜帶深度值，一個(gè)RGBAdiffuse顏色，一個(gè)RGBspecular顏色，一個(gè)霧化系數(shù)和一組或者多組紋理坐標(biāo)。這些值都會(huì)被傳給流水線的下一個(gè)階段像素的處理，然后注入到渲染目標(biāo)。由于實(shí)時(shí)3D渲染程序要求對(duì)用戶的即時(shí)操作做出迅速反應(yīng)，因此通常要求每秒至少20幀以上的渲染速率，這也使得高效率的“光柵化”渲染技術(shù)成為當(dāng)今最受青睞的3D即時(shí)成像技術(shù)。但是光柵化的缺點(diǎn)也很明顯，那就是無(wú)法計(jì)算真實(shí)的光線，導(dǎo)致很多地方失真

8、。光線追蹤算法分為兩種：正向追蹤算法和反向追蹤算法。其中，正向追蹤算法是大自然的光線追蹤方式，即由光源發(fā)出的光經(jīng)環(huán)境景物間的多次反射、透射后投射到景物表面，最終進(jìn)入人眼。反向追蹤算法正好相反，它是從觀察者的角度出發(fā)，只追蹤那些觀察者所能看見(jiàn)的表面投射光。就目前而言，所有3D制作軟件的光線追蹤算法都是采用反向追蹤法，原因是這種算法能夠最大程度地節(jié)省計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)資源，而且不會(huì)導(dǎo)致渲染質(zhì)量的下降。在現(xiàn)實(shí)世界中射到物體表面上通常有三種情況：折射，反射，吸收。光線在經(jīng)過(guò)反射到不同的地方，被選擇性吸收，從而光譜發(fā)生改變，再多次反射與折射，最終進(jìn)入我們自己的眼睛。而光線追蹤技術(shù)要做的就是模擬這一過(guò)程。貴州大

9、學(xué)課程論文1.3 光線追蹤的特點(diǎn)1.3.1 光線追蹤的優(yōu)點(diǎn)光線跟蹤的流行來(lái)源于它比其它渲染方法如掃描線渲染或者光線投射更加能夠現(xiàn)實(shí)地模擬光線，象反射和陰影這樣一些對(duì)于其它的算法來(lái)說(shuō)都很難實(shí)現(xiàn)的效果，卻是光線跟蹤算法的一種自然結(jié)果。光線跟蹤易于實(shí)現(xiàn)并且視覺(jué)效果很好，所以它通常是圖形編程中首次嘗試的領(lǐng)域。1.3.2 光線追蹤的缺點(diǎn)光線跟蹤的一個(gè)最大的缺點(diǎn)就是性能，掃描線算法以及其它算法利用了數(shù)據(jù)的一致性從而在像素之間共享計(jì)算，但是光線跟蹤通常是將每條光線當(dāng)作獨(dú)立的光線，每次都要重新計(jì)算。但是，這種獨(dú)立的做法也有一些其它的優(yōu)點(diǎn)，例如可以使用更多的光線以抗混疊現(xiàn)象，并且在需要的時(shí)候可以提高圖像質(zhì)量。盡

10、管它正確地處理了相互反射的現(xiàn)象以及折射等光學(xué)效果，但是傳統(tǒng)的光線跟蹤并不一定是真實(shí)效果圖像，只有在非常緊似或者完全實(shí)現(xiàn)渲染方程的時(shí)候才能實(shí)現(xiàn)真正的真實(shí)效果圖像。由于渲染方程描述了每個(gè)光束的物理效果，所以實(shí)現(xiàn)渲染方程可以得到真正的真實(shí)效果，但是，考慮到所需要的計(jì)算資源，這通常是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。于是，所有可以實(shí)現(xiàn)的渲染模型都必須是渲染方程的近似，而光線跟蹤就不一定是最為可行的方法。包括光子映射在內(nèi)的一些方法，都是依據(jù)光線跟蹤實(shí)現(xiàn)一部分算法，但是可以得到更好的效果。貴州大學(xué)課程論文第二章光線追蹤的應(yīng)用2.1 光線追蹤在圖形渲染中的應(yīng)用將光線追蹤算法應(yīng)用于圖形渲染最初是由ArthurAppel于1968年

11、提出，那時(shí)還叫raycasting。1979年TurnerWhitted帶來(lái)了新的研究突破：遞歸光線追蹤算法RecursiveRayTracingAlgorithm。1984年，Carpenter等人發(fā)表了一篇分布式光線追蹤的論文DistributedRayTracing,影響甚廣。發(fā)展到今天，大多數(shù)的照片級(jí)渲染系統(tǒng)都是基于光線追蹤算法的?；镜墓饩€追蹤算法并不難，相信大部分計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的同學(xué)都寫過(guò)的，難的是如何優(yōu)化提高效率。2.2 光線追蹤在物理學(xué)中的應(yīng)用在物理學(xué)中，光線追跡可以用來(lái)計(jì)算光束在介質(zhì)中傳播的情況。在介質(zhì)中傳播時(shí)，光束可能會(huì)被介質(zhì)吸收，改變傳播方向或者射出介質(zhì)表面等。我們通過(guò)計(jì)算

12、理想化的窄光束（光線）通過(guò)介質(zhì)中的情形來(lái)解決這種復(fù)雜的情況。2.3 光線追蹤在實(shí)際應(yīng)用在實(shí)際應(yīng)用中，可以將各種電磁波或者微小粒子看成理想化的窄波束（即光線），基于這種假設(shè)，人們利用光線追跡來(lái)計(jì)算光線在介質(zhì)中傳播的情況。光線追跡方法首先計(jì)算一條光線在被介質(zhì)吸收，或者改變方向前，光線在介質(zhì)中傳播的距離，方向以及到達(dá)的新位置，然后從這個(gè)新的位置產(chǎn)生出一條新的光線，使用同樣的處理方法，最終計(jì)算出一個(gè)完整的光線在介質(zhì)中傳播的路徑。2.4 實(shí)時(shí)跟蹤人們已經(jīng)進(jìn)行了許多努力，改進(jìn)如計(jì)算機(jī)與視頻游戲這些交互式三維圖形應(yīng)用程序中的實(shí)時(shí)光線跟蹤速度。OpenRT項(xiàng)目包含一個(gè)高度優(yōu)化的光線跟蹤軟件內(nèi)核，并且提供了一套

13、類似于OpenGL的API用于替代交互式三維圖形處理中基于rasterization的實(shí)現(xiàn)方法。一些光線跟蹤硬件，如斯坦福大學(xué)開發(fā)的實(shí)驗(yàn)性的光線處理單元，都是設(shè)計(jì)成加速光線跟蹤處理中那些需要大量計(jì)算的操作。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的光線跟蹤的名稱與原理源自于二十世紀(jì)最初十年就已經(jīng)開始出貴州大學(xué)課程論文現(xiàn)的光學(xué)鏡頭設(shè)計(jì)中的古老技術(shù)。幾何光線跟蹤用于描述光線通過(guò)鏡頭系統(tǒng)或者光學(xué)儀器時(shí)的傳輸特性，并建立系統(tǒng)的成像屬性模型。這用于建造前優(yōu)化光學(xué)儀器的設(shè)計(jì)，例如減少色像差或者其它的光學(xué)像差。光線跟蹤也用于計(jì)算光學(xué)系統(tǒng)中的光程差，光程差用于計(jì)算光學(xué)波前，而光學(xué)波前用于計(jì)算系統(tǒng)的衍射作用，例如點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)、調(diào)制傳遞函數(shù)

14、以及Strehlratio。光線跟蹤不僅用于攝影領(lǐng)域的鏡頭設(shè)計(jì)，也可以用于微波設(shè)計(jì)甚至是無(wú)線電系統(tǒng)這樣的較長(zhǎng)波長(zhǎng)應(yīng)用，也可以用于紫外線或者X射線光學(xué)這樣的較短波長(zhǎng)領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與光學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域所用的光線跟蹤的基本原理都是類似的，但是光學(xué)設(shè)計(jì)所用的技術(shù)通常更加嚴(yán)格，并且能夠更加正確地反映光線行為。尤其是光的色散、衍射效應(yīng)以及光學(xué)鍍膜的特性在光學(xué)鏡頭設(shè)計(jì)中都是非常重要的，但是在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域就沒(méi)有那么重要了。在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)以前，光線跟蹤需要使用三角以及對(duì)數(shù)表手工計(jì)算，許多傳統(tǒng)攝影鏡頭的光學(xué)公式都是許多人共同完成優(yōu)化的，每個(gè)人只能處理其中一小部分的計(jì)算工作。這些計(jì)算可以在如來(lái)自于LambdaRes

15、earch的OSLO或者TracePro、Code-V或者Zemax這些光學(xué)設(shè)計(jì)軟件上完成。一個(gè)簡(jiǎn)單的光線跟蹤版本是光線傳遞矩陣分析，它通常用于激光光學(xué)諧振腔的設(shè)計(jì)。貴州大學(xué)課程論文第三章光線追蹤的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)實(shí)時(shí)渲染視頻級(jí)別的計(jì)算機(jī)三維圖形是計(jì)算圖形領(lǐng)域的終極目標(biāo)，與現(xiàn)在普遍使用的光柵化渲染技術(shù)相比，光線追蹤普遍被視為視覺(jué)技術(shù)的未來(lái)方向，可帶來(lái)近乎真實(shí)的真正電影級(jí)圖形和光影物理效果，光線追蹤算法是達(dá)到這個(gè)目標(biāo)的圣杯，經(jīng)過(guò)幾十年的努力，終于要接近這個(gè)理想了。3.1 光線追蹤VS光柵化光線追蹤VS光柵化畫質(zhì)誰(shuí)更精美？由于光線追蹤算法和現(xiàn)實(shí)世界中的物理規(guī)則幾乎一樣，所以在構(gòu)建精美的3D場(chǎng)景的時(shí)候，

16、就有了得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。在畫面質(zhì)量上，光柵化在光線追蹤算法面前幾乎沒(méi)有還手之力。光柵化技術(shù)要實(shí)現(xiàn)媲美光線追蹤算法一樣的真實(shí)場(chǎng)景反射、折射效果，對(duì)開發(fā)者而言簡(jiǎn)直是噩夢(mèng)。在當(dāng)今大部分游戲中，實(shí)現(xiàn)環(huán)境光反射效果都使用了EnvironmentMap壞境貼圖)技術(shù)。這種技術(shù)可以比較好地欺騙玩家的眼睛，特別是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)處細(xì)小物體的反射效果，但當(dāng)我們靠近3D物體仔細(xì)觀察的時(shí)候，環(huán)境貼圖就會(huì)露出馬腳。環(huán)境貼圖效果實(shí)際上只能對(duì)一張靜態(tài)圖片進(jìn)行處理，在你仔細(xì)觀察的時(shí)候，就會(huì)發(fā)現(xiàn)環(huán)境貼圖里面的景物不過(guò)是開發(fā)者之前預(yù)設(shè)的障眼法，無(wú)法根據(jù)實(shí)時(shí)狀況發(fā)生變化。在大部分賽車游戲中為了實(shí)現(xiàn)近距離車身的反光而不穿幫，大多使用了動(dòng)態(tài)立方

17、貼圖(DynamicCubeMap)技術(shù)。立方貼圖技術(shù)允許開發(fā)者將場(chǎng)景視點(diǎn)和玩家觀察角度保持一致，然后再重新渲染畫面，把渲染結(jié)果保存下來(lái)供渲染使用。立方貼圖雖然看上去不容易穿幫，但仔細(xì)觀察你就會(huì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。自然界中的光線總是會(huì)存在不斷的相互反射。你千萬(wàn)別以為我們?cè)诖得蟠?，事?shí)上要實(shí)現(xiàn)圖中如此逼真的反射效果已經(jīng)需要巨大的運(yùn)算量，通過(guò)立方貼圖實(shí)現(xiàn)的反射，往往需要重復(fù)渲染多次。而在渲染過(guò)程中，立方貼圖也不像傳統(tǒng)3D畫面那樣重新計(jì)算視點(diǎn)和坐標(biāo)。為了獲得理想的運(yùn)行速度，日常游戲中大多只在近處使用立方貼圖，為了避免大幅降低顯卡填充率，在使用立方貼圖的時(shí)候很多游戲開發(fā)者還故意使用了低分辨率渲染。至于游戲中的

18、其他反射，由于顯卡性能限制，大多只是用簡(jiǎn)單的環(huán)境貼圖實(shí)現(xiàn)。如果用光線追蹤來(lái)實(shí)現(xiàn)各種反射效果會(huì)怎么樣？根據(jù)我們上面介紹的光線追蹤特性，這個(gè)技術(shù)可以用算法控制整個(gè)3D場(chǎng)景中的所有反射效果。在光線追蹤計(jì)算中，所貴州大學(xué)課程論文有的反射效果都能被計(jì)算在內(nèi)，就連漫反射和多次反射都不會(huì)漏掉。3.2 顯卡何時(shí)才能實(shí)時(shí)光線追蹤光線追蹤有著如此明顯的優(yōu)勢(shì)，而且在實(shí)現(xiàn)方法上和現(xiàn)在的光柵化算法也沒(méi)任何“不共戴天”之仇，那為什么我們至今仍然沒(méi)有看到任何顯卡能提供實(shí)時(shí)光線追蹤渲染呢？答案首先是光線追蹤驚人的運(yùn)算量，即便光線追蹤是并行度相當(dāng)高的運(yùn)算，在多內(nèi)核時(shí)代計(jì)算機(jī)并行性能和內(nèi)核數(shù)量幾乎呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，但要實(shí)現(xiàn)每秒30

19、幀的實(shí)時(shí)光線追蹤計(jì)算，依然有很遠(yuǎn)的路要走。根據(jù)Intel和Daniel的說(shuō)法，要用光線追蹤渲染出達(dá)到現(xiàn)代游戲的畫面質(zhì)量，同時(shí)跑出可流暢運(yùn)行的幀數(shù)，每秒需要計(jì)算大概10億束光線。這個(gè)數(shù)字包括每幀每像素需要大概30束不同的光線，分別用來(lái)計(jì)算著色、光照跟其它各種特效，按照這個(gè)公式，在1024X768這樣的入門級(jí)分辨率下，一共有786432個(gè)像素，乘以每像素30束光線以及每秒60幀，我們就需要每秒能運(yùn)算141.5億束光線的硬件，而Intel雙路4內(nèi)核處理器每秒也不過(guò)只能處理830萬(wàn)束光線。雖然光線追蹤算法有著極高的并行度，但光線追蹤中主光線僅僅是為了判別多邊形是否可見(jiàn)而存在，和傳統(tǒng)光柵化的Z-Buff

20、er計(jì)算方式一樣，對(duì)畫質(zhì)不會(huì)有任何貢獻(xiàn)。更要命的是，光線追蹤的輔助光線每一條都沒(méi)有任何相關(guān)性，這意味著包括各種緩存技術(shù)在內(nèi)的“投機(jī)取巧”方式都沒(méi)有用武之地，計(jì)算光線追蹤輔助光線的所有的計(jì)算都將直接讀取內(nèi)存一這對(duì)于內(nèi)存延遲和帶寬來(lái)說(shuō)都是驚人的考驗(yàn)。在過(guò)去的幾年間，顯卡顯存延遲的降低小得可憐。根據(jù)某顯卡廠商的統(tǒng)計(jì)預(yù)期，在2004年顯卡內(nèi)存延遲大約在40ns左右，到了2014年顯卡延遲也不過(guò)減少到了23ns一在10年間節(jié)省出來(lái)的17ns顯然無(wú)法滿足光線追蹤技術(shù)的需要。而在這10年里，顯卡的晶體管數(shù)量會(huì)從2.2億只增加到22.37億只。既然傳統(tǒng)的顯卡架構(gòu)和發(fā)展趨勢(shì)，完全無(wú)法滿足光線追蹤算法的需求，那推倒重來(lái)會(huì)怎么樣？2003年德國(guó)SaarLand大學(xué)就拿出了業(yè)