第十二章真实感图形的绘制引言引言12.1光线跟踪技术12.1光线跟踪技术12.1.1简单透明模型12.1.1简单透明模型12.1.1简单透明模型12.1.1简单透明模型12.1.1简单透明模型12.1.2Whitted光照明模型12.1.2Whitted光照明模型12.1.2Whitted光照明模型12.1.2Whitted光照明模型12.1.2Whitted光照明模型12.1.3光线跟踪技术12.1.3光线跟踪技术12.1.3光线跟踪技术1.光线跟踪过程通常用一棵二叉树(称为光线树)来表示。2.树上的每一结点(除根结点外)都是对显示象素光亮度有贡献的发光点。3.位于i和j结点之间的边(j为i的子结点)表示发光点j向ji方向辐射的光亮度,每个结点都存有该发光点的和。12.1.3光线跟踪技术12.1.3光线跟踪技术12.1.3加速光线跟踪技术1.包围盒技术和场景分层表示基本思想：包围盒技术是用几何形状相对简单的封闭表面（如长方体、球、圆柱等）将一复杂景物包裹起来，如图12.6中的虚线为最简单的椭球形包围盒。优点：场景分层次表示法和包围盒技术用光线与少量形状简单的包围盒的求交测试取代与大量景物表面的求交计算,提高了算法效率。缺点：这种方法的问题在于许多情况下简单的包围盒不能紧密地包裹其中所含的景物,因此降低了包围盒测试的可靠性。而复杂的包围盒又将导致光线和包围盒的求交计算变得困难。2.空间剖分技术这一方法利用相邻网格单元的空间连贯性,使光线能跨越一个个空的网格单元,直到求得它与景物的第一个交点时为止。空间网格剖分方法可分为两类：第一种方法是将空间均匀地分割成大小相同的小立方体网格单元。该方法可以简化光线穿越空间网格的计算，且便于硬件实现，但缺点是需占用较大的存储区域，当景物在空间分布稀疏时，被跟踪的光线可能需穿越大量的空网格才能到达目标。第二种方法是非均匀网格剖分，即根据景物的形状把空间分成大小不同的子空间，典型的方法是采用八叉树和二叉树的空间分割，这种剖分可减少每条被跟踪的光线所需穿越的空网格单元数目，所需要的内存耗费较小。这两种方式主要的不同点在于它们所选取的辅助数据结构不同。(1)均匀网格划分和八叉树剖分1986年，Fujimoto等提出了一个基于空间均匀网格剖分技术的加速光线跟踪算法。根据已剖分完成的均匀三维网格（voxel）建立一个数据结构，称之为SEADS（SpatiallyEnumeratedAuxiliaryDataStructure）。每一个网格中均设立其所含景物面片表的指针。光线跟踪时，光线只需依次与其经过空间网格中所含的景物面片进行求交测试即可。八叉树算法是一个较为成功的加速光线跟踪算法，属于空间非均匀网格剖分。将景物表面剖分为三角形面片，穿过或内含于同一空间网格的三角形面片置入该空间网格的求交面片表中，每一个非空的空间网格唯一对应一空间线性八叉树结点。这样，通过定向跟踪和测试光线所穿过的空间网格单元便能很快地求得光线和景物的第一个交点，从而使计算量大大减少。(2)二叉树剖分技术空间二叉树是一种空间剖分技术，它充分利用了平面的定侧性质。该二叉树的每一结点表示一子空间及其所包含的多边形。上述过程是一递归过过程直至处理完场景中的所有平面多边形为止。显然,该树的根结点代表整个空间。与均匀网格划分和八叉树方法相比，BSP树具有内存耗费小、剖分产生的无效区少的特点。理论的分析和实验比较指出，BSP树光线跟踪算法是一个近似线性复杂度的快速光线跟踪算法。早期的BSP树主要用来在视点变动时加速多边形场景的排序过程。1.当视点位于正侧子空间σ+时，其负侧子空间σ-中的景物不可能遮挡l(σ)和正侧子空间σ+。空间景物的排序优先级为：σ+中的景物，l(σ)和σ-中的景物；2.当视点位于σ-中时,其排序优先级为:σ-中的景物，l(σ)和σ+中的景物；3.而当视点位于l(σ)上时,则依据选取的视线方向确定其排序优先级。3.基于网格剖分的光线跟踪首先求光线在当前网格中的出口，然后将该点沿光线前进方向做微小移动，使点为光线即将进入的下一个网格的一个内部点。根据光线前进的特点，光线位于下一个网格内的区段上各点的参数值一定大于光线在当前网格内各点的参数。设光线在当前网格的出口点参数为t（当然它也是下一个网格的入口参数）。这样只要将t加上一个很小的正挠动量，就得到点的参数值。确定了的位置就可确定它所在的叶结点空间。然后将光线与该叶结点空间中所含的景物进行求交测试。若存在有效交点，则结束光线跟踪；否则继续跟踪进入相邻的下一空间区域，直至该光线射出空间或求得有效交点为止。12.2基于物理的光照明模型12.2.1基本光照模型12.2.1基本光照模型12.2.1基本光照模型12.2.1基本光照模型12