3D渲染-光线追踪-加速结构

一、回顾

Whitted-Style Ray Tracing使用递归的方式,做光线追踪。光线在场景中任何一个地方都可能发生弹射,在任何一个交点都要计算着色和阴影,最后加权到像素值上的原理。

解释了光线和三角形求交的方法。但是光线与三角形求交比较复杂。

然后引入轴对齐包围盒(AABB)结构,利用光线和AABB的求交,来解决光线与三角形求交复杂问题。

二、加速结构

现在我们知道了光线和AABB求交。那我们怎么利用它,来加速光线与场景求交问题?
答:使用以下两个技术来实现:
1、Uniform grids(均匀格子)
2、Spatial partitions (空间划分)
以上的方式,是在做光线追踪之前,对场景的预处理操作。

1、Uniform grids

(1)对场景预处理


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(2)光线追踪


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(3)格子怎么进行划分的选择?


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(4)Uniform grids的问题


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2、Spatial partitions

由于Uniform grids的问题,提出Spatial partitions的解决方案。
思路:Uniform grids是均匀的划分。在物体稀疏的地方不需要用很多格子划分。
下图是一些空间划分算法,KD-Tree使用最多。


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1)KD-Tree

(1)KD-Tree对场景预处理


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(2)KD-Tree光线追踪


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(3)KD-Tree空间划分的问题
问题1:KD-Tree的建立不容易,需考虑三角形与格子的求交。
问题2:KD-Tree的划分,一个物体可能和多个格子有交集,则一个物体就会存储在多个叶子节点里。


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2)BVH

为了解决KD-Tree的问题,提出Bounding Volume Hierarchy(BVH)。
从物体划分角度对场景预处理。(Object Partitions)
(1)BVH对场景预处理


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解决问题1:不用考虑三角形与格子求交,只需更新包围盒。
解决问题2:一个物体只存储在一个叶子节点里。

(2)如何划分物体?
1、总是沿着最长的轴进行场景划分。
2、取中间物体进行划分。
优势:均匀,构成最小深度的树。

3)总结

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