光线跟踪算法的研究与实现
摘 要
在计算机图形学中，真实感技术占有着重要地位。采用真实感技术生成的图形能够真实地反映物体表面的颜色和亮度的细微变化，表现出物体表面的质感。另外还能通过生成光照下物体的阴影，极大地改善场景的深度感和层次感，充分体现物体间的相互遮挡关系，并且能够模拟物体的透明效果和镜面物体的镜面效果。
光线跟踪算法是真实感生成技术中的主要算法之一，采用整体光照模型来模拟场景环境中的光照情况。光线跟踪能很自然地解决环境中所有物体之间的消隐、阴影、镜面反射和折射等问题，并且能够生成十分逼真的图形。光线跟踪算法较难理解，但其实现相对简单，采用递归算法即可。递归的光线跟踪算法计算量十分巨大，因此应尽可能减少求交计算量是提高光线跟踪效率的关键。
本文从简单的光照模型入手，对光线跟踪算法进行了一定的研究，重点研究了光线跟踪算法的原理、光线跟踪的过程，以及涉及的求交算法。本文还根据基本的递归光线跟踪算法原理，结合windows的图形设备接口（GDI），使用C++语言，在MFC框架下实现了小型的算法演示系统，该系统创建了一个三维空间场景，并在此场景中放置物体，利用光线跟踪算法模拟光照效果。
关键词：真实感，光线跟踪，光照模型
目 录
毕业论文原创性声明.......................................................................I
毕业论文版权使用授权.......................................要.............................................................................III
Abstract.....................................言................................................................1
1.1 课题研究的背景及意义.........................................................1
1.2 国内外研究现状.............................................1
1.3 本文内容与结构.................................................2
1.4 本文研究的主要方向....................................3
2 相关基础知识.............................................................4
2.1 几何光学基础知识.....................................................4
2.2 光线跟踪相关基础.................................................5
2.2.1 光源.........................................................5
2.2.2 环境光......................................................6
2.2.3 漫反射.........................................................7
2.2.4 镜面反射光.............................................................8
2.2.5 Phong光照模型.....................................................9
2.2.6 整体光照模型..................................................................11
3 光线跟踪算法............................................................................13
3.1 光线跟踪的基本原理.......................................................13
3.2 本文算法实现的思想.........................................................16
4 光线与物体的求交..................................................................20
4.1 光线与球的求交..............................................................20
4.1.1 代数解法........................................................20
4.1.2 几何解法..............................................................21
4.2 光线与多边形的求交.........................................................23
4.3 光线与二次曲面的求交..............................................24
4.4 本文程序实现的求交算法.................................25
5 论文总结.......................................................27
5.1 光线跟踪算法的后续研究方向....................................27
5.2 辐射度方法.............................................................29
5.3 论文结语......................................................................29
致谢...............................................................................33
参考文献....................................................................34
