光線跟蹤演算法的介紹

光線跟蹤是一種真實地顯示物體的方法，該方法由Appe在1968年提出。光線跟蹤方法沿著到達視點的光線的反方向跟蹤，經過螢幕上每一個象素，找出與視線相交的物體表麵點P0，並繼續跟蹤，找出影響P0點光強的所有光源，從而算出P0點上精確的光線強度，在材質編輯中經常用來表現鏡面效果。光線跟蹤或稱光跡追蹤是計算機圖形學的核心演算法之一。在演算法中，光線從光源被拋射出來，當他們經過物體表面的時候，對他們應用種種符合物理光學定律的變換。最終，光線進入虛擬的攝像機底片中，圖片被生成出來。

效果圖

基本思想

1. 筒型照明器的傳輸方程有一個cos
2. 可以寫出球形等各種照明器
3. 場景中每個表面都有自己的輻射率，從照明器隨機位置發射隨機方向粒子，檢測碰撞
4. 如果擊中則增加擊中表面的輻射率l，p控制粒子最終是否被表面吸收，並隨機決定是否反射
5. 把資料儲存在物件的紋理檔案中
6. 進行路徑跟蹤，類似光線跟蹤。

至此，我們來實現一個光線跟蹤的效果（實際上是懶得寫註釋 doge）

程式碼如下

<script>
document.body.style.background="#000";
var 	C=document.getElementById("CANVAS").getContext("2d")

document.onkeydown = function(event){
		if(event.keyCode==38){//up
			cinemaZ+=10;
		}
		else if(event.keyCode==40){//down
			cinemaZ-=10;
		}
		else if(event.keyCode==37){//left
			q+=-.005
		}
		else if(event.keyCode==39){//right
			q-=-.005
		}
}


function sphere_hit(x,y,z,r,ex,ey,ez,sx,sy,sz){
	m=Math
	a=(sx-ex)*(sx-ex)+(sy-ey)*(sy-ey)+(sz-ez)*(sz-ez)
	b=2*(sx-ex)*(ex-x)+2*(sy-ey)*(ey-y)+2*(sz-ez)*(ez-z)
	c=ex*ex-2*x*ex+x*x + ey*ey-2*y*ey+y*y + ez*ez-2*z*ez+z*z -r*r
	theta=b*b-4*a*c
	if(theta<0)return null; 
	else {
	x1=(-b+m.sqrt(theta))/(2*a)	
	x2=(-b-m.sqrt(theta))/(2*a)
//alert("a:"+a+".b:"+b+".c:"+c+".x1="+x1+"    x2="+x2)
	tt=(x1<x2)?x1:x2
	if(tt<0)return null
	return {
		t:tt,
		nx:ex+sx*tt-x,  
		ny:ey+sy*tt-y,
		nz:ez+sz*tt-z
		};
	}
}

function unitization(vector)
{
//	if(vector[0]==null || vector[1]==null || vector[2]==null) alert("In Function unitization:Not Acceptable Parameters")
	m=Math.sqrt(vector[0]*vector[0]+vector[1]*vector[1]+vector[2]*vector[2])
	return new Array(vector[0]/m,vector[1]/m,vector[2]/m)
}
function transvection(v1,v2){
//	if(v1[0]==null || v1[1]==null || v[2]==null)  alert("In Function transvection:Not Acceptable Parameters in 1")
//	if(v2[0]==null || v2[1]==null || v2[2]==null) alert("In Function transvection:Not Acceptable Parameters in 2")
	return v1[0]*v2[0]+v1[1]*v2[1]+v1[2]*v2[2]
}


	/* 
		************	obj List	***********	
	1.Sphere	  
	2.Sphere 	  
	3.Sphere	  
	4.Plate 	
		************	obj List	***********
	*/

plateN  = unitization([0,-1,0])
var obj = new Array(
			new Array(new Array(-500,-300,250),300,[255,0,0]),
			new Array(new Array(-300,-300,700),300,[255,200,0]),
			new Array(new Array(300,-300,15),300,[0,0,255])
			)



eye=[0,-300,-800]
screenZ=-500
dem=[700,1000]


directal_light=unitization([1/1.732,1/1.732,-1/1.732])
envir_col=[0.6,0.6,0.6]
RAY_TRA=3


function detection(e,s){
//	if(e[0]==null || e[1]==null || e[2]==null)  alert("In Function detection:Not Acceptable Parameters in 1")
//	if(s[0]==null || s[1]==null || s[2]==null)  alert("In Function detection:Not Acceptable Parameters in 2")
	var nearest={}
	nearest.t=9999
	nearest.n=null
	for(io=0;io<obj.length;io++){
	sinfor=sphere_hit(obj[io][0][0],obj[io][0][1],obj[io][0][2],obj[io][1],e[0],e[1],e[2],s[0],s[1],s[2])
	if(sinfor!=null)if(sinfor.t<nearest.t){nearest.n=io;nearest.t=sinfor.t;}
	}
	if(nearest.t==9999) {     

	/* the farthest locatial ,this value mean the ratio between screen-e and object position
	   not hit all object,we have to test y=0 plate ,otherwise fill backgroundcolor
	*/

	if(s[1]!=e[1] && (pt=  (-e[1]/(s[1]-e[1]))  )  >0 ) {return null;}   //nothing having been hited,meanwhile,out of the y=0 plate boundary
	else     			//y=0 plate had been hited,calculate corresponding coordinates
	{
	return new Array(e[0]+pt*(s[0]-e[0]),0,e[2]+pt*(s[2]-e[2]))
	}} 
	else return nearest;
}

function reflect(l,n){
//	if(l[0]==null || l[1]==null || l[2]==null)  alert("In Function reflection:Not Acceptable Parameters in 1")
//	if(n[0]==null || n[1]==null || n[2]==null)  alert("In Function reflection:Not Acceptable Parameters in 2")

	n=unitization(n)     // plateN had been unitizated
	l=unitization(l)
	co=transvection(l,n)
	return new Array(l[0]-2*co*n[0],l[1]-2*co*n[1],l[2]-2*co*n[2])

}



for(i=0;i<=1;i+=.0005)
for(j=-.5;j<=.5;j+=.0005)
{	e=eye
	scr=s=[dem[1]*j,-dem[0]*i,screenZ]

	for(rt=RAY_TRA;rt>0;rt--){

	point=detection(e,s)
	if(point==null)	{C.fillStyle="rgb(0,0,0)"; 
//if(rt==RAY_TRA){ C.fillRect(s[0]+dem[1]/2,-s[1],1,1);}else {C.fillRect(scr[0]+dem[1]/2,-scr[1],1,1);} break;}
if(rt==RAY_TRA) C.fillRect(s[0]+dem[1]/2,-s[1],1,1);break;}
	else{
		l=[s[0]-e[0],s[1]-e[1],s[2]-e[2]]
		if(point[2]!=null){ 							 //is plate
			aaa=Math.floor(Math.sin(point[0]*6.28/200)+1  )
			bbb=Math.floor(Math.sin(point[2]*6.28/200)+1  )
			if(aaa==bbb)C.fillStyle="rgb(0,0,0)"; else C.fillStyle="rgb(255,255,255)";  
			C.fillRect(scr[0]+dem[1]/2,-scr[1],1,1);
			
			rr=reflect(l,plateN)
			e=point
			s=[e[0]+rr[0],e[1]+rr[1],e[2]+rr[2]]

		}else{									//is object
			rgb=obj[point.n][2]
			//phong color model
			p0=obj[point.n][0]
			p1=[e[0]+point.t*(s[0]-e[0])	,e[1]+point.t*(s[1]-e[1])	,e[2]+point.t*(s[2]-e[2])	]
			nvec=unitization([p1[0]-p0[0],p1[1]-p0[1],p1[2]-p0[2]])
			co=nvec[0]*directal_light[0]+nvec[1]*directal_light[1]+nvec[2]*directal_light[2]
			co=Math.pow(co,31)
			//sur_col=[Math.round(co*rgb[0]),Math.round(co*rgb[1]),Math.round(co*rgb[2])]
			sur_col=[Math.min(255,Math.round((1-envir_col[0])*co*rgb[0])+envir_col[0]*rgb[0]),
				Math.min(255,Math.round((1-envir_col[1])*co*rgb[1])+envir_col[1]*rgb[1]),
				Math.min(255,Math.round((1-envir_col[2])*co*rgb[2])+envir_col[2]*rgb[2])]
			//C.fillStyle="rgb("+sur_col[0]+","+sur_col[1]+","+sur_col[2]+")";
			C.fillStyle="rgba("+sur_col[0]+","+sur_col[1]+","+sur_col[2]+","+  rt/RAY_TRA  +")";
			C.fillRect(scr[0]+dem[1]/2,-scr[1],1,1);
			rr=reflect(l,nvec)

			e=p1
			s=[e[0]+rr[0],e[1]+rr[1],e[2]+rr[2]]


		}
	}

	//C.fillRect(s[0]+dem[1]/2,-s[1],1,1);
	}



}
</script>
 

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