在光子追踪中计算像素值

Question

我过去写过两个传统的光线追踪器，但现在我想编写一个反向光线追踪器，它可以追踪从光源到眼点的光子。在过去几天阅读有关此主题的文章后，我知道我不应该尝试，但无论如何我还是想这样做。我现在面临的问题是如何计算我试图生成的图像中每个像素的值。

在普通光线追踪中，我将来自视点的光线通过图像平面中的一个像素射入场景中，在光线树的这个分支被追踪之后，我最终得到一个分配给该像素的颜色值。我想不出办法来扭转这个过程。如果我测试每条光线是否只与图像平面相交，那么我会得到一个 180 度的视野和一个焦点就在图像平面上（一团模糊）。所以我必须测试每条光线是否与图像平面和眼点相交。但由于眼点只是一个非常小的点，光线击中它的机会应该（几乎）为零，这将导致根本没有图像。

所以我的问题是：如何通过追踪来自光源的光子来计算要渲染的图像的像素值？

提前致谢，
一月

Answer 1

您需要进行“最终收集”才能生成图像。如果您的光线树从光源分支出来，这将有效地“装饰”光线树的叶子，并为眼睛添加额外的光线。

当然，并不是每条这样的光线都是有效的：如果表面背对眼睛，或者被遮挡，那么它应该被拒绝。请注意，这种生成光线的方法类似于在常规光线追踪中确定照明所需的“阴影”光线。

另一个问题是，您接收到的光线将采用随机模式，而不是传统光线追踪提供的规则或分布良好的模式。这意味着您需要对相机接收到的光线进行平均和/或插值，以获得像素值。

我相信您的像素颜色将由样本密度和样本的颜色值共同决定；如果是这样，您将需要确保您的平均/插值方法提供该行为。对此的初始近似可能只是将输入样本添加到最近的像素；更好的方法可能是为每个传入的样本“喷溅”一个简单的添加剂贴花。一种更复杂的方法可以根据样本的局部密度按比例缩放贴花的大小，同时保持总积分亮度与样本亮度成比例。

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编辑：给定一个传入的“眼睛”光线，您仍然需要确定您的传入光线对应的屏幕位置。为此，您需要计算用于光栅化的相机的“ViewProjection”矩阵。这实际上是用于传统光线追踪的过程的逆：

conventional ray tracing:
    // find direction vector for given screen coordinates (x,y)
    homog4vector homog_clip_coords( (x - x_offset) / x_resolution,
                                    (y - y_offset) / y_resolution,
                                    1.0,  // z-coordinate
                                    1.0); // w-coordinate
    homog4vector homog_world_coords = InverseViewProjectionMatrix * homog_clip_coords
    ray_vector_x = homog_world_coords.x / homog_world_coords.w - eye_x;
    ray_vector_y = homog_world_coords.y / homog_world_coords.w - eye_y;
    ray_vector_z = homog_world_coords.z / homog_world_coords.w - eye_z;

rasterization or "reverse" ray tracing:
    // find screen coordinates for given source point "p"
    homog4vector eye_ray_source(p.x, p.y, p.z, 1.0);
    homog4vector homog_clip_coords = ViewProjectionMatrix * homog4vector(x,y,z,1);
    screen_coords.x = x_offset + x_resolution * homog_clip_coords.x / homog_clip_coords.w
    screen_coords.y = y_offset + y_resolution * homog_clip_coords.y / homog_c.ip_coords.w

当然，并不是每条入射光线都会出现在屏幕上。确保丢弃从后面进入相机的光线：

    if (homog_clip_coords.z < 0 || homog_clip_coords.w < 0)
      { /* reject ray */ }