Трассировка лучей

Методы трассировки лучей на сегодняшний день считаются наиболее мощ­ными и универсальными методами создания реалистичных изображений. Из­вестно много примеров реализации алгоритмов трассировки для качествен­ного отображения самых сложных трехмерных сцен. Можно отметить, что универсальность методов трассировки в значительной степени обусловлена тем, что в их основе лежат простые и ясные понятия, отражающие наш опыт восприятия окружающего мира.

Итак, полагаем, что окружающие нас объекты обладают по отношению к свету такими свойствами:

• излучают;

• отражают и поглощают;

• пропускают сквозь себя.

Каждое из этих свойств можно описать некоторым набором характеристик. Например, излучение можно охарактеризовать интенсивностью, направлен­ностью, спектром. Излучение может исходить от условно точечного источ­ника (далекая звезда) или протяженного (скажем, от извергающейся из кра­тера вулкана расплавленной лавы). Распространение излучения может осу­ществляться вдоль достаточно узкого луча (сфокусированный луч лазера), конусом (прожектор), равномерно во все стороны (Солнце), либо еще как-нибудь.

Свойство отражения (поглощения) можно описать характеристиками диффузного рассеивания и зеркального отражения.

Прозрачность можно описать ослаблением интенсивности и преломлением.

Распределение световой энергии по возможным направлениям световых лу­чей можно отобразить с помощью векторных диаграмм, в которых длина векторов соответствует интенсивности. Два крайних, идеализированных случая преломления изображены на рисунке ниже:

Некоторые реальные объекты преломляют лучи гораздо более сложным об­разом, например, обледеневшее стекло.

Один и тот же объект реальной действительности может восприниматься в виде источника света, а при ином рассмотрении может считаться предметом, только отражающим и пропускающим свет. Например, купол облачного неба в некоторой трехмерной сцене может моделироваться в виде протяженного (распределенного) источника света, а в других моделях это же небо выступа­ет как полупрозрачная среда, освещенная со стороны Солнца. В общем случае каждый объект описывается некоторым сочетанием пере­численных выше трех свойств.

Метод прямой трассировки лучей.

Теперь рассмотрим то, как формируется изображение некоторой сцены, включающей в себя несколько пространственных объектов. Будем полагать, что из точек поверхности (объема) излучающих объектов исходят лучи света. Можно назвать такие лучи первичными – они освещают все остальное. Важным моментом является предположение, что световой луч в свободном пространстве распространяется вдоль прямой линии (хотя в специальных разделах физики изучаются также и причины возможного искривления). Но в геометрической оптике полагают, что луч света распространяется прямо­линейно до тех пор, пока не встретится отражающая поверхность или грани­ца среды преломления. Так будем полагать и мы.

От источников излучения исходит по различным направлениям бесчисленное множество первичных лучей (даже луч лазера невозможно идеально сфоку­сировать – все равно свет будет распространяться не одной идеально тонкой линией, а конусом, пучком лучей). Некоторые лучи уходят в свободное про­странство, а некоторые (их также бесчисленное множество) попадают на другие объекты. Если луч попадает в прозрачный объект, то, преломляясь, он вдет дальше, при этом некоторая часть световой энергии поглощается. По­добно этому, если на пути луча встречается зеркально отражающая поверхность, то он также изменяет направление, а часть световой энергии поглощается. Если объект зеркальный и одновременно прозрачный (например, обыч­ное стекло), то будет уже два луча – в этом случае говорят, что луч расщепляется.

Можно сказать, что в результате действия на объекты первичных лучей возникают вторичные лучи. Бесчисленное множество вторичных лучей уходит в свободное пространство, но некоторые из них попадают на другие объекты. Так, многократно отражаясь и преломляясь, отдельные световые лучи приходят в точку наблюдения – глаз человека или оптическую систему камеры. В точку наблюдения может попасть и часть первичных лучей непосредственно от источников излучения. Таким образом, изображение сцены формируется некоторым множеством световых лучей. Цвет отдельных точек изображения определяется спектром и интенсивностью первичных лучей источников излучения, а также поглощением световой энергии в объектах, встретившихся на пути соответствующих лучей.

Непосредственная реализация данной лучевой модели формирования изображения представляется затруднительной. Можно попробовать построить алгоритм построения изображения указанным способом. В таком алгоритме необходимо предусмотреть перебор всех первичных лучей и определить те из них, которые попадают в объекты и в камеру. Затем выполнить перебор всех вторичных лучей, и также учесть только те, которые попадают в объекты и в камеру. И так далее. Можно назвать такой метод прямой трассировкой лучей. Как учитывать бесконечное множество лучей, идущих во все стороны? Полный перебор бесконечного числа лучей в принципе невозможен. Даже если каким-то образом свести это к конечному числу операций (например, поделить всю сферу направлений на угловые секторы и оперировать уже не вековечно тонкими линиями, а секторами), все равно остается главный недостаток метода – много лишних операций, связанных с расчетом лучей, которые затем не используются. Так, во всяком случае, это представляется в настоящее время.

Коротко расчет освещения сцены методом прямой трассировки лучей можно описать следующими этапами:

• от всех источников света испускаются лучи во всех направлениях;

• рассчитываются преломление и отражение каждого луча, в том числе и отраженного, т.е. каждая точка сцены может освещаться либо напрямую источником, либо отраженным светом;

• часть лучей, попавшая в глаз наблюдателя, сформирует в нем изображение сцены.

Изображение формирует только малая часть лучей.

Обобщая вышесказанное, можно записать недостатки прямой трассировки лучей.

1. Проблемы с моделированием диффузного отражения и преломления.

2. Для каждой точки изображения необходимо выполнять много вычислительных операций. Трассировка лучей относится к числу самых медлен­ных алгоритмов синтеза изображений.