Podręcznik Grafika komputerowa i wizualizacja

12.2. Idea metody śledzenia promieni

Traktując model kamery jako mechanizm realizacji rzutowania perspektywicznego, można zauważyć, że barwa danego piksela ekranu powstaje dzięki światłu docierającemu do niego z kierunku wynikającego z rzutowania. Można zatem prześledzić „drogę światła”, które dociera do piksela i na tej podstawie wyznaczyć barwę.

 

Rys.12.2. Metoda śledzenia promieni – analizowana jest droga promienia między obserwatorem
a obiektami sceny i źródłami światła.

Metoda śledzenia promieni polega na analizie przebiegu promieni między obserwatorem a źródłem światła. Drogę promieni opisuje drzewo przecięć, którego węzły reprezentują zjawiska jakie zachodzą między promieniem a powierzchniami obiektów. Korzeń drzewa odpowiada promieniowi docierającemu do obserwatora zaś liście — źródłom światła. Zjawiska odbicia, przenikania i pochłaniania opisane są odpowiednimi modelami matematycznymi. Wyznaczenie barwy danego piksela polega na analizie odpowiedniego drzewa.

Rys.12.3 Powstawanie drzewa przecięć w metodzie śledzenia promieni.

 W najprostszym rozwiązaniu analizę „drogi światła” prowadzi się od obserwatora (kamery – środka rzutowania) do obiektów na scenie.  To znaczy w kierunku przeciwnym do rzeczywistego rozchodzenia się światła. Stąd czasami metodę nazywa się metodą (śledzenia) promienia odwrotnego.

Każde napotkanie obiektu przez promień (promień pierwotny) wymaga analizy. Zawsze jest wyznaczany promień odbity o kierunku zależnym od powierzchni obiektu. Jeśli obiekt jest przezroczysty, to wyznaczany jest promień załamany (promień przechodzący przez obiekt) o kierunku zależnym od właściwości materiałowych obiektu. Oba promienie: odbity i załamany nazywane są promieniami wtórnymi. Zawsze są również wyznaczane tak zwane promienie cienia (czasami nazywane promieniami oświetlenia) w kierunku każdego źródła światła. Promienie cienia pozwalają wyznaczyć oświetlenie danego elementu obiektu przez źródła światła, oczywiście jeśli na drodze promienia cienia do źródła światła jest inny obiekt nieprzezroczysty (źródło jest zasłonięte) to oświetlenie nie jest liczone. Promienie wtórne mogą wskazać następne przecięcia z obiektami, stając się wtedy promieniami pierwotnymi kolejnej analizy. Tak stworzone drzewo promieni jest obliczane metodą zstępującą, Barwa każdego węzła jest liczona jako funkcja barwy potomków. Gałąź w takim drzewie kończy się, gdy promienie wtórne (odbite i załamane) nie przecinają się z kolejnymi obiektami.

Może też być stosowane inne zakończenie procesu budowy i/lub analizy drzewa: gdy osiągnięto określony/zadany poziom rekurencji, albo po prostu gdy zabrakło pamięci na następne poziomy.

 

Analiza śledzenia promieni wymaga wiedzy o:

 Istnieje kilka różnych wersji realizacji tego algorytmu:

 Rozwój możliwości metody śledzenia promieni polega na dodawaniu coraz bardziej skomplikowanych przypadków, które mogą się pojawić na drodze promienia pomiędzy źródłem a obserwatorem. Najprościej jest opisać przebieg odbicia kierunkowego (lustrzanego), najtrudniej wielokrotne odbicie rozproszone i pośrednie oddziaływania typu składowej kierunkowej padającej na powierzchnię rozpraszającą.