Ray Tracing
Jeff Prousis könyvéből
Az előző fejezetben tárgyalt festési módszerek jelentős mértékben növelték a számítógép által generált képek realitását, de még messze nem voltak a fotorealizmustól. A valódi tárgyak árnyékot adnak, amikor megvilágítják fényes fényt, és sok tárgy tükrözi a rájuk eső fényt. A visszavert fénysugár viszont más objektumokat vagy más objektumokat is fel lehet fedni. És egyes testek teljesen vagy teljesen kihagyják az incidens fényének egy részét, amely újra képes más tárgyakat megvilágítani. A tudósok ilyen kifejezéseket használnak a folyamatok leírására: árnyék, visszaverődés és áthaladás. Az adaptációs programnak figyelembe kell vennie ezeket a jelenségeket, ha szükséges a fotorealisztikus képek beszerzése.
A jelenség közötti kölcsönhatás nagyon nehéz. A színpad egy külön felületét több különböző forrásból lehet megvilágítani. Szerencsére vannak olyan módszerek, amelyek lehetővé teszik a számítógép számára, hogy figyelembe vegye az összes ilyen világítási módot. A legjobb közülük - a sugárkövetési módszer, amelyet először fogant, mint egy eszközt eltávolítja a rejtett felületeket, és később bővült, hogy figyelembe vette a hatását az árnyékokat, reflexiós és transzmissziós fény. sugárkövetési módszer - nem a legújabb vívmánya a bemutató fotó-realisztikus képeket (ő is megvannak a hátrányai, és gyakran kombinálják más módszereket, hogy még jobb háromdimenziós képek), de elég közel van, hogy az elképesztő képeket, hogy a minőségi közel fotók. A legnagyobb probléma ezzel a módszerrel az, hogy nagyon lassú. Még egy szuperszámítógép is szükség lehet működési időre, hogy egy összetett jelenetet forgasson az elejétől a végéig. Ugyanez a művelet megkövetelheti a normál személyi számítógép működésének napjait.
A sugárkövetés módszere matematikailag összetett, de koncepciót egyszerű. A számítógép valójában a forrástól a szem felé sugárzó fénysugarakat figyeli. Amikor a sugarakat a forrásból a szem felé a forrásból szabadul fel, akkor ez fordított nyomot jelent (ellentétben az elsővel, az egyenes vonal). A fordított nyomkövetés hatékonyabb, mivel biztosítja, hogy a szem elérő sugarai pontosan megegyezzenek a kép képpontszámával. Annak érdekében, hogy elképzelje ezt a folyamatot, fontolja meg, hogy a monitor képernyője egy ablak, amelyen keresztül megtekintheti a számítógép által rajzolt 3D-s modellt. Az elképzelt vonalak, az úgynevezett sugarak, a képernyő minden egyes képpontjából rajzolódnak ki a szemedből, és a modellre vetülnek. Minden egyes alkalommal, amikor a sugár egy bizonyos felületen áthalad egy ponton, további sugarak emelkednek ki ettől a ponttól. Ha a felület fényvisszaverő, akkor egy visszavert sugár keletkezik. Ha a felület fényt közvetít, akkor egy elmaradt sugár keletkezik, figyelembe véve azt a tényt, hogy a sugár iránya megváltozik, amikor egyik médiumról átmegy. Ezt a jelenséget a fénytörésnek nevezik. Néhány felület egyidejűleg tükrözi és sugározza a sugarakat, majd mindkét sugarat kibocsátják. Ezen sugarak útjait a modell teljes egészében követik, és ha a sugarak más felületeken haladnak át, akkor a gerendák újra kibocsátásra kerülnek. Minden olyan ponton, ahol a sugár metszi a felszínt, egy árnyék sugarat húz a kereszteződés pontjáról az egyes fényforrásokra. Ha ez a sugár átkerül egy másik felületre, mielőtt elérné a fényforrást, akkor a fény elzáró felületének árnyéka azon a felületen esik, amelyről a sugár elküldésre került. Matematikailag ezek a sugarak a modellek objektumainak fizikai jellemzőivel (szín, átlátszóság, specularitás stb.) Együttesen lehetővé teszik a számítógép számára a kép színének és intenzitásának meghatározását.
A hagyományos sugárkövetési módszer egyik hátránya, hogy a szóban forgó felületek nem rendelkeznek textúrával, mint valódi tárgyak. Sima - néha túl sima. Ennek kompenzálása érdekében a röntgensugaras nyomkövető programok textúra térképeket vagy bump-mapping-t használnak annak érdekében, hogy a modell felületén durvaságot biztosítsanak. A textúrák leképezésével olyan képet kapunk, ahol a felület például textúrát - fát vagy márványt szerez. Ezek a módszerek hasznot húznak abból a tényből, hogy a nyomelem, mint más töltési módszerek, a számításaiban a normális értéket használja. A bump-mapping pergette az objektum felületét egy bizonyos minta szerint, sima felületet alakítva úgy, hogy durva és nem egyenletes legyen.
Annak érdekében, hogy láthatóvá, hogy a sugárkövetés módszer, a következő képet vezethető az utat a fény elkülönül a megfigyelő szeme egy pontot a képernyőn, és a fénysugár útját, hogy generál.
Hogyan működik a sugárkövetés?
1. Amikor a fordított felkutatását fénysugarak, amelyek befolyásolják a pixelek a képernyőn, a számítógép bocsát egy képzeletbeli ray a szem a néző a pixel és a pálya, amíg már átlépik az objektumot.
2. A sugár és a gömb metszéspontjának első pontja a visszaverődő sugár. A felület átlátszó, ezért nem vonjuk be a refraktt sugarakat. Az árnyék sugara a kereszteződéstől a fényforrásig terjedő utat jelöli. Mivel ez a sugár nem metszik egy másik átlátszatlan felületet, a fényforrás közvetlenül befolyásolja a megvilágítás intenzitását egy adott ponton.
3. A visszaverődő sugár átkerül egy másik tárgyra, ezúttal egy áttetsző gömb, amely tükrözi és átadja a fényt. A fényforráshoz visszaverődő és refraktt sugarakat emittál egy árnyék sugárral együtt. Figyeljük meg, hogy a kihagyott fénysugár megváltoztatja az irányát a gömbbe való belépés előtt és után, a fénytörés hatásának megfelelően.
4. Ezúttal a sugár a gömböt metsző pontot közvetlenül a forrás nem világítja meg, mivel az árnyék sugarának útját egy átlátszatlan felület blokkolja. Ha a jelenet több fényforrást tartalmazott, akkor az árnyék sugarakat mindegyikbe be kellett vezetni.
5. Az összes sugár által kifejezetten vagy implicit módon generált sugarak hatása összeadódik, és az eredmény határozza meg ennek a pontnak az RGB értékét.
6. Ez a jelenet, amelyet a sugárkövetés eredményeként hoztak létre, 30 percen keresztül 50 MHz-486 DX számítógépen készült, a jól ismert Polaray program segítségével. A bal oldali gömb az előtérben tükörfelületet tartalmaz. A középpontban lévő gömb sima, átlátszatlan felülettel rendelkezik, és a jobb oldalon lévő gömb teljesen üveges. Ügyeljen arra, hogy több vett tükröződést, az üveg aranygömbének megtört képét és a két fényforrásból kapott árnyékot vegye figyelembe. Felhívjuk a figyelmet arra is, hogy a kép perspektivikus vetítéssel és eltávolított láthatatlan felülettel rendelkezett. Ezek a nyomkövetési folyamat természetes eredményei, és ezek a problémák nem igényelnek különös figyelmet.