光线跟踪算法探析：从Whitted模型到真实感渲染

“计算机图形学基础：第四讲 光线跟踪算法.pdf” 光线跟踪算法是计算机图形学中的一个重要概念，由Turner Whitted在1980年提出，他在论文《Improved Illumination Model for Shaded Display》中阐述了这一模型，这是计算机图形学历史上的一个重大突破。Whitted在北卡罗来纳州立大学获得博士学位后，加入贝尔实验室，提出了这个革命性的算法，尽管他的学术生涯并不长，只有19篇论文，但光线跟踪算法无疑是他的重要贡献之一，甚至使他在2003年当选为美国工程院院士。 光线跟踪算法的核心在于模拟光线如何在三维空间中与物体交互，从而创建出逼真的图像。它的工作原理是从观察者（视点）出发，沿着每个像素的方向发射虚拟光线，追踪这些光线与场景中物体的交点。这个过程被称为光线求交，是光线跟踪算法的基础步骤。 光线求交找到的交点是计算颜色值的关键位置。在这里，可以应用局部光照模型，如Phong模型，来计算交点处的颜色。Phong模型考虑了环境光、漫反射和镜面反射等因素，使得计算出的颜色更加接近真实世界中的观感。此外，光线跟踪算法还能处理阴影，当光线从物体到观察者路径上遇到其他物体阻挡时，该物体在阴影中显得暗淡。 光线跟踪算法还允许处理透明和镜面反射。透明物体允许光线穿透，而镜面反射则遵循反射定律，追踪反射光线的方向，继续寻找新的交点。这种递归的过程使得图像中的反射和折射效果更加真实。而且，光线跟踪对于复杂的物体表示方法非常灵活，不仅可以处理基本的几何形状，还可以适应各种复杂的表面纹理和细分表面，使得图像细节丰富，视觉效果更佳。 光线跟踪算法通过模拟光线与物体的交互，能够生成具有高真实感的图像，包括阴影、反射、折射等视觉效果。尽管它的计算复杂度较高，但随着计算能力的提升，光线跟踪已经成为现代计算机图形学中不可或缺的一部分，广泛应用于电影特效、游戏开发以及虚拟现实等领域。