Spellwrath實時光線追蹤軟陰影（一）
直延續(xù)至計算機(jī)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(shù)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(dāng)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(bǔ)。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(jìn)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(jù)領(lǐng)先優(yōu)勢。你可能從標(biāo)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。可以從交叉點/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(chǎn)生不同的像素陰影效果。
光線追蹤扭轉(zhuǎn)了事物的本質(zhì)。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(dāng)然，除非你在光子映射中進(jìn)行了添加，這得另當(dāng)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(fù)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(jié)果甚至比不上使用陰影映射對場景進(jìn)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(zhì)量及超越光柵化，我們需要更多的射線，并進(jìn)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(dāng)然，光線追蹤并非總是比光柵化的效率低，也有例外情況。當(dāng)3D數(shù)據(jù)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(jié)果證明，該數(shù)據(jù)的光線追蹤速度更快，且相比光柵化方法其內(nèi)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(shù)，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(chǎn)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(biāo)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(shù)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(rèn)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(yīng)用程序中必須達(dá)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(dá)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(jìn)行設(shè)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)。