Spellwrath實時光線追蹤軟陰影（一）

直延續(xù)至計算機圖像上。他希望有一天能完全實時模擬光的所有方面。從事電腦游戲便是興趣使然。在Spellwrath游戲中,他創(chuàng)建了一個實時的光線追蹤引擎。目前，Michael是德國武裝部隊的一名軍官。

現(xiàn)代實時圖像非常依賴光柵化技術來實現(xiàn)高幀速率和可信的場景。這個過程通常非常簡單：取一個多邊形，稍作移動，再繪入緩沖區(qū)并添加華麗的陰影。

光柵化有其優(yōu)勢和劣勢。毫無疑問，其操作很快，但考慮多個多邊形的相互影響時其劣勢又展現(xiàn)了出來。這是何意？我們這樣來說：繪制第二個多邊形時，便失去了任何形式的位置概念。按這種方式繪制多邊形必須不斷追蹤繪制順序。當然，我們有解決方案，如深度緩沖，但對于透明的多邊形這些卻于事無補。至于陰影會如何呢？情況甚至更糟。這里我想要從不同的視角進行討論。

光線追蹤

在離線逼真3 D渲染中，有一種方法始終占據領先優(yōu)勢。你可能從標題中看出了端倪，即光線追蹤。這個概念也很簡單。我們從屏幕的每個像素(觀察者的眼睛位置)投射光線至場景中，不管觸及何物都是我們要渲染的對象?？梢詮慕徊纥c/觸及點投射更多的光線至我們感興趣的對象。投向光源，我們可以看到是否對象位于陰影中或已點亮。使用入射角投射，我們可以得到反射。每條光線會產生不同的像素陰影效果。

光線追蹤扭轉了事物的本質。其并非跟蹤每個光子從光源出發(fā)走向何處，而是反向跟蹤其來自何處。當然，除非你在光子映射中進行了添加，這得另當別論。

所以，在渲染實時場景時為何不能使用光線追蹤？答案是：速度。要找到光線的交叉點和充滿多邊形的場景是非常慢的。且每個像素都要重復這樣的操作。如果希望得到陰影、反射和折射則更加如此。且其結果甚至比不上使用陰影映射對場景進行光柵化的效果及其他效果，而且每幀還犧牲了大量的毫秒。為提高質量及超越光柵化，我們需要更多的射線，并進一步降低每秒幀率。除非我們仿效光柵化示例創(chuàng)造自己的錦囊妙計。

實時光線追蹤的一些技巧

當然，光線追蹤并非總是比光柵化的效率低，也有例外情況。當3D數(shù)據組織得十分有條理時，光線追蹤會變得更容易更快速。如果只需要測試表示幾何圖形的子集而不是整個場景中的幾何圖形，那么，找到射線和幾何圖形之間的交叉點更容易。最好的例子可能是立體像素場景，特別是那些被組織成八叉樹的圖形(或更稀疏的立體像素八叉樹)。結果證明，該數(shù)據的光線追蹤速度更快，且相比光柵化方法其內存效率更高。

某些時候，我會選擇使用立體像素的實時光線追蹤路線。但我不是一個純粹主義者，且我傾向于混合一些技術，所以有時會借用延遲渲染方法。盡管這樣“作弊”，但我始終在考慮的是：怎樣才能獲得美觀的陰影?

通常，在光線追蹤時使用單一的反彈渲染陰影會產生硬邊，即所說的硬陰影(見左上圖)。

這種類型的陰影很適合非常微小的點光源，但是微小的點光源卻極少發(fā)生。通常，光源至少有一些寬度，從而可以創(chuàng)建部分陰影/半影——或就渲染來說，軟陰影(見右上圖)。

為了在光線追蹤時創(chuàng)建軟陰影，特別是動態(tài)軟陰影，通常需要在整個光源區(qū)域投射多條光線。很顯然，這不是實時渲染所需要的。我們的目標始終是減少二次光線的投射。

所幸，Alexandru Voica所寫的通過將光線追蹤技術混合至柵格化管線中來創(chuàng)建軟陰影的文章給了我很好的啟示。我也嘗試混合光線追蹤和柵格化技巧，我確信這對我很有幫助。

快速軟陰影

首先，我們必須認識到，我們正努力實現(xiàn)的并非精確的物理軟陰影。相反，我們正在試圖創(chuàng)造逼真的軟陰影，其在游戲或其他實時應用程序中必須達到極佳的效果。因此，沒有必要投射100秒光線來確定區(qū)域光可以達到的某個像素。相反，我們將嘗試投射單個光線來實現(xiàn)實時所需的速度。

注意，我對Imagination的算法稍作了修改，以適合我的實時光線追蹤器。為進行設置，將需要一個新的場景緩沖區(qū)來存儲所有從光源光線追蹤處獲得的陰影信息。我們稱之為光線追蹤陰影緩沖區(qū)。