光线追踪器中景深实现的参考？

Question

我有一个基本的光线追踪器，我想实现景深。请你 推荐我可以使用的资源、书籍和代码？

谢谢

Answer 1

我从这个页面上的一点点信息中弄清楚了：http://cg.skeelogy.com/depth-of-field-using-raytracing/，特别是底部附近的图表。我想我的做法与它的显示方式略有不同，但概念很简单。

我可以解释正在发生的事情以及如何实现它的一般概念（我会尽量简洁）。光线从任何给定点向所有方向反射（一般而言），因此它实际上不是在渲染点和您的眼睛之间传播的单条光线，而是离开渲染点并向眼睛扩展的光锥。您的眼睛/相机的镜头会倾向于弯曲这些光线，从而使锥体停止膨胀并再次开始收缩。为了使事物完全聚焦，锥体应该收缩到视网膜/框架上的一个点，但这仅适用于距镜头的一个特定距离：参考页面中的“焦平面”指示的距离（尽管我认为它应该是一个以眼睛为中心的球体，而不是一个平面）。

对于焦平面前面的任何物体，光锥会更弯曲：它会聚焦到视网膜/框架前面的一个点，然后再次开始扩大，所以当它到达框架时，它不再是一个点，而是一个圆。类似地，对于焦平面后面的点，锥体弯曲较少，并且在到达框架时还没有收敛到一个点。在这两种情况下，效果是一个点是场景最终在多个像素上涂抹。

为了实现，你可以把这个想法转变为头脑：你可以将几个附近的点渲染到一个像素，而不是把场景中的每个点渲染成几个像素，这当然是真正发生的事情，因为来自相邻点的“被抹去”的光圈最终会重叠，因此每个都对一个像素有贡献。

以下是我的实现方式：

首先，定义一个光圈：以您的眼睛为中心并平行于视网膜/框架的平面区域。光圈越大，景深效果越明显。孔径通常只是圆形，在这种情况下，它很容易由其半径定义。其他形状可以产生不同的照明效果。

同时定义一个“焦距”。我不认为这实际上是正确的术语，但它是与眼睛完美聚焦的距离。

渲染每个像素：

1. 首先从眼睛通过像素投射出一条正常的光线到场景中。但是，您不想将其与场景中的对象相交，而是只想找到射线上与眼睛的距离等于所选焦距的点。将此点称为像素的焦点。
2. 现在在光圈上随机选择一个起点。对于圆形光圈，这很容易，您可以选择随机极角和随机半径（不大于光圈的半径）。您希望在整个光圈上均匀分布，不要试图将其偏向中心或其他任何地方。
3. 从光圈上的选定点通过焦点投射光线。请注意，它不一定会通过相同的像素，没关系。
4. 以通常的方式渲染此射线（例如，路径追踪，或仅查找最近的交点等）。
5. 重复步骤 2、3 和 4 若干次，每次在光圈上使用不同的随机起点，但始终通过焦点投射。将所有光线的渲染颜色值相加，并将其用作该像素的值（如往常一样，必要时除以恒定衰减因子）。

每个像素使用的光线越多，质量当然就越好。我一直在使用每像素大约 150 条光线来获得体面但不是很好的质量。你可以用更少的一口（比如 50 或 60 条光线）看到效果，但更少的光线往往会在图像中产生颗粒感，尤其是对于非常失焦的东西。您需要的光线数量还取决于光圈大小：较小的光圈不需要那么多光线，但您不会获得那么多的模糊效果。

显然，这样做会大大增加工作量，实际上是将其乘以每个像素的光线数量，因此，如果您在光线追踪器中还有任何优化要做，现在是做这件事的好时机.如果您碰巧有多个处理器可用，那么好消息是，一旦您找到一个像素的焦点，这就是令人尴尬的并行。

多一点解释

下面的图片应该让您了解正在发生的事情，以及为什么它与眼睛或相机中实际发生的事情相同。它显示了正在渲染的两个像素，一个像素用红色表示，另一个用蓝色表示。从眼睛通过每个像素延伸到焦点“平面”的虚线是您在开始时投射的光线，以确定像素的焦点。半透明锥体表示可以随机选择渲染每个像素的完整光线集（像素 1 的红色锥体，像素 2 的蓝色锥体）。请注意，由于所有光线都通过焦点，因此每个锥体都会在焦点处会聚到一个点。

圆锥体的重叠区域表示场景中的点，这些点最终可能会同时渲染到像素 1 和像素 2：换句话说，被抹去。由于每个锥体都是焦“平面”上的一个点，因此这里的锥体之间没有重叠，所以这个距离处的点只渲染到一个像素：它们完全聚焦。同时，您离焦“平面”越远（向前或向后），锥体展开得越多，因此在任何给定点重叠的锥体就越多。因此，非常接近或非常远的点往往会被渲染到大量不同的像素，因此它们会非常失焦。