MIT计算机图形学：光线投射与追踪解析

"这是MIT计算机图形学课程的第四部分，由Fredo Durand和Barb Cutler教授，部分内容来源于Leonard McMillan、James Arvo和David Kirk。本节主要讨论了光线投射技术和其在计算机图形学中的应用。" 在计算机图形学中，光线投射是一种基本的技术，用于模拟光如何与场景中的物体相互作用，进而生成逼真的图像。这个概念在MITEECS6.837课程中被详细讲解，主要分为两部分：初级光线投射和更复杂的二次光线效果。 1. 初级光线投射（Ray Casting）： - 对于图像中的每个像素，我们从观察者（眼睛）的位置出发构造一条射线。 - 遍历场景中的每一个对象，计算该射线与对象的交点。 - 如果存在多个交点，保留离眼睛最近的那个，这决定了像素的颜色。 2. 光线追踪（Ray Tracing）： - 除了基础的光线投射，光线追踪还涉及次级光线，如阴影、反射和折射。这些将在几周后进一步讲解。 - 反射光线追踪用于模拟物体表面的镜面反射，而折射光线追踪则用于处理光通过透明或半透明物体时的传播。 3. 光线表示： - 光线通常由两个向量定义：起点（Origin）和方向（Direction），方向通常会被规范化以简化计算。 - 通过参数化线方程 `P(t) = R + t * D`，我们可以表示出光线上的任意点，其中 `R` 是起点，`D` 是方向向量，`t` 是参数。 4. 显式与隐式： - 显式表示：例如，参数化方程，可以直接生成点在物体表面上的位置，但验证一个点是否在曲线上可能较复杂。 - 隐式表示：通过解方程来确定点是否位于曲面，但不提供直接生成曲面上点的方法。 5. 着色的注意事项： - 着色涉及到表面法线方向以及光源的方向。 - 漫反射成分计算是通过点光源方向和表面法线之间的点乘来实现的。 - 镜面高光（Specular component）则反映了更复杂的光照效果，通常涉及到环境光和反射角度的精确比较。 这些基本概念构成了计算机图形学中光线投射技术的基础，对于理解和创建复杂的3D渲染至关重要。随着课程的深入，将涵盖更多如阴影、反射、折射等高级主题，这些都是构建真实感图像的关键元素。通过这些技术，我们可以模拟现实世界的光照现象，使数字图像看起来更加生动和真实。