摘要：光線跟蹤（Raytracer）與光能傳遞（Radiosity）渲染是3D設(shè)計(jì)軟件中常用的渲染方法，對(duì)場(chǎng)景使用光線跟蹤與光能傳遞渲染可以生成十分逼真的光影效果。但兩種渲染算法都需要進(jìn)行大量復(fù)雜的運(yùn)算，尤其是光能傳遞對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能要求很高，對(duì)硬件平臺(tái)的運(yùn)算速度和能力都有很苛刻的要求。

關(guān)鍵詞：光線跟蹤；光能傳遞；渲染

中圖分類號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2008)16-21284-02

Analysis and Comparison of Rendering Arithmetic Raytracer and Radiosity in MAX

WANG Yu-min， SUN Da-xin， SUN Zhan-chen

(Aviation University of Air Force， Changchun 130022， China)

Abstract: Raytracer and radiosity rendering are common ways in 3D designing software.Raytracer and radiosity rendering can make scenes very vivid. But both arithmetic needs much and complicated operation. Radiosity especially requires both higher performance of computer system and operation speed of hardware platform.

Key words: Raytracer; Radiosity; Rendering

如何達(dá)到真實(shí)世界逼真的光影效果一直是計(jì)算機(jī)圖形渲染所追求的目標(biāo)。在3ds Max中創(chuàng)建的3D模型包含有每個(gè)對(duì)象的材質(zhì)和場(chǎng)景中的照明的信息。在創(chuàng)建幾何體模型的計(jì)算機(jī)圖形圖像過程中的任務(wù)決定每個(gè)像素的顏色，使用的顏色基于模型信息和指定的視點(diǎn)（攝像機(jī)）。模型中曲面上任一指定點(diǎn)的顏色都是曲面的物理材質(zhì)屬性和照明燈光的函數(shù)。因此，材質(zhì)和燈光在視覺處理中扮演著很重要的角色。材質(zhì)的屬性決定了模型的顏色、透明度、反射和折射；燈光用于場(chǎng)景的照明，光線太強(qiáng)或光線不足我們都看不到任何東西。光線跟蹤與光能傳遞分別在材質(zhì)與燈光方面提供了更具有真實(shí)感的優(yōu)化解決方案。

1 局部照明和全局照明

兩個(gè)常規(guī)的光線傳遞算法為：局部照明和全局照明。它們用于描述曲面如何反射和透射燈光，通過數(shù)學(xué)算法預(yù)測(cè)離開曲面的燈光的強(qiáng)度、顏色和分布，與材質(zhì)屬性相結(jié)合，確定曲面是具有塑料外觀還是金屬外觀、或它是平滑的還是粗糙的。局部照明算法只描述單獨(dú)的曲面如何反射或透射燈光。在定義單獨(dú)的曲面如何與局部級(jí)的燈光相交互后，使用3ds Max約定的掃描線渲染系統(tǒng)，在著色中只考慮直接來自于光源的燈光。但是，為了獲得更精確的圖像，不僅需要考慮光源，同時(shí)也需要考慮環(huán)境中的所有曲面和對(duì)象與燈光如何相互影響。例如，某些曲面阻擋燈光，并在其它曲面上投射陰影；某些曲面很有光澤，在它們上面會(huì)看到其它曲面的反射；某些曲面透明，我們會(huì)透過它們看到其它曲面；而且有些曲面會(huì)將燈光反射到其它曲面上。如果綜合考慮模型中曲面間光線的傳輸方式、反射與折射等因素的渲染算法稱作全局照明。光線跟蹤和光能傳遞就是3ds Max提供的作為其產(chǎn)品級(jí)渲染系統(tǒng)的兩種全局照明算法。

2 光線跟蹤及處理過程

光線跟蹤（Raytracer）算法對(duì)在場(chǎng)景中運(yùn)動(dòng)的數(shù)以億計(jì)的光子中進(jìn)行識(shí)別，它跟蹤從屏幕中每個(gè)像素進(jìn)入3D模型的反向光線。要使用光線跟蹤創(chuàng)建圖像，對(duì)于計(jì)算機(jī)屏幕上的每個(gè)像素執(zhí)行下列步驟：

·光線是通過眼睛的位置反向跟蹤的，通過監(jiān)視器上的像素，直到它與一個(gè)曲面相交。從材質(zhì)的屬性中可以知道曲面的反射率，但此時(shí)仍然不知道到達(dá)曲面的燈光量。

·確定總體照明，從相交點(diǎn)開始跟蹤光線到環(huán)境中的每個(gè)光源（陰影光線）。如果到達(dá)光源的光線未被其它對(duì)象阻擋，則來自光源的燈光用于計(jì)算曲面顏色。

·如果相交的曲面有光澤或是透明的，則必須要確定在要處理的曲面中或通過這一曲面能看到什么。前兩步在反射（在透明的情況下，則是透射）方向反復(fù)執(zhí)行，直到遇到另一曲面。后續(xù)相交點(diǎn)的顏色也用于計(jì)算原始點(diǎn)的顏色。

·如果第二個(gè)曲面也是反光的或透明的，則重復(fù)光線跟蹤過程，以此類推，直到達(dá)到迭代的最大次數(shù)或沒有更多的相交曲面為止。

光線跟蹤算法的應(yīng)用非常廣泛，因?yàn)樗梢越⒍喾N照明效果的模型。它可以精確地實(shí)現(xiàn)直接照明的全局照明特性、陰影、鏡面反射（比如鏡子）以及通過透明材質(zhì)的折射。光線跟蹤的主要不足在于即使對(duì)中等復(fù)雜的環(huán)境它也可能處理得非常慢。光線跟蹤的另一個(gè)不足之處在于，這種算法對(duì)全局照明非常重要的特性，即漫反射的相互反射計(jì)算的不是非常精確，只有直接來自于光源自身的燈光才被精確考慮。因此，光線跟蹤圖像通?？雌饋磉^于平面化，尤其是在建筑環(huán)境的渲染上，這些建筑環(huán)境通常來說大部分都是漫反射曲面。在3ds Max中，光線跟蹤可以指定為全局性渲染光源投射陰影的方法，也可以有選擇的用于使用光線跟蹤材質(zhì)的對(duì)象上，這些材質(zhì)將光線跟蹤指定為其著色選項(xiàng)。

3 光能傳遞及處理過程

光能傳遞（Radiosity）算法能夠很好的解決光線跟蹤算法的不足。它綜合考慮了光線傳遞的四種形式：非漫反射面——漫反射面、非漫反射面——非漫反射面、漫反射面——漫反射面、漫反射面——非漫反射面。光能傳遞是一種與視點(diǎn)無關(guān)（view-independent）的全局照明（global illumination）算法，它模擬場(chǎng)景中漫反射表面間的光能傳遞過程。假定所有到達(dá)物體表面（surface）的光線都會(huì)被反射回場(chǎng)景中，這樣場(chǎng)景中所有可見的物體都能發(fā)出光線或反射光線，光能在場(chǎng)景的表面間可以互相傳遞。它不僅決定場(chǎng)景中每個(gè)像素的顏色，也計(jì)算環(huán)境中所有曲面的強(qiáng)度，通過計(jì)算分布在從每個(gè)網(wǎng)格元素到其它網(wǎng)格元素的燈光量，為網(wǎng)格的每個(gè)元素保存最終光能傳遞值。物體表面間光的能量傳遞遵循以下光能傳遞方程：

Bi=Ei+pi∑BjFij

Bi－表面i的輻射度，Bj－表面j的輻射度。

Ei－表面i的發(fā)射率，pi－表面i的反射率。

Fij－表面j相對(duì)于表面i的形狀因子。

從方程可以看出，從一個(gè)物體表面輻射出來的光能（Bi）等于該表面本身發(fā)出的光能（Ei）加上從其它表面發(fā)射到該表面且被該表面發(fā)射的光能（pi∑BjFij）。很顯然，場(chǎng)景越復(fù)雜、模型越多或是模型被細(xì)分為很多網(wǎng)格，需要計(jì)算的表面數(shù)量就非常龐大，將耗費(fèi)大量的運(yùn)算時(shí)間。當(dāng)場(chǎng)景中應(yīng)用了貼圖BumpMaping、大氣（大氣中的微粒散射在理論上應(yīng)計(jì)算入光能傳遞之內(nèi)）等效果后，計(jì)算復(fù)雜度將大得無法用普通的計(jì)算機(jī)計(jì)算，這也是光能傳遞只適宜渲染靜幀作品而不適宜渲染動(dòng)畫的原因。

光能傳遞解決方案階段包括初始質(zhì)量，細(xì)分以及像素重新收集三個(gè)階段。

· 初始質(zhì)量：在初始質(zhì)量階段，場(chǎng)景中漫反射光線的分配本質(zhì)上是模擬真實(shí)光子運(yùn)動(dòng)來計(jì)算的。應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法來選擇分布在空間中具有真實(shí)分布代表性的光子進(jìn)行光子傳遞計(jì)算。由于使用了統(tǒng)計(jì)學(xué)的取樣過程，巨大數(shù)量的光線使用了近似值。在初始質(zhì)量階段，場(chǎng)景燈光水平的總體面貌已經(jīng)確定了，結(jié)果可以在視窗中交互式的顯示。初始質(zhì)量階段運(yùn)行重復(fù)的過程，在對(duì)話框的進(jìn)程工具中可以顯示。

·反復(fù)細(xì)分：因?yàn)樵诔跏假|(zhì)量階段取樣的隨機(jī)性，場(chǎng)景中一些細(xì)小的面或者網(wǎng)格元素可能錯(cuò)過足夠的光線照射（或者沒有任何光線照射）。這些細(xì)小的面仍然保持黑暗，結(jié)果表現(xiàn)的是與其它面不一致或者黑斑。為了減少這些瑕疵，細(xì)分階段每個(gè)表面元素都將“重新收集光線”。細(xì)分可以執(zhí)行細(xì)分整個(gè)場(chǎng)景或者細(xì)分被選擇的場(chǎng)景。

·像素重新收集：在細(xì)分階段以后，仍然可能在場(chǎng)景中出現(xiàn)可見的瑕疵，這是由于原本模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定的。這些瑕疵有時(shí)候以黑洞或者是亮斑的形式出現(xiàn)。為了避免這些模型缺陷造成的瑕疵，第三個(gè)可選擇的細(xì)分階段作為像素重新收集出現(xiàn)在圖像渲染的時(shí)候。這包括一個(gè)為圖像的每一個(gè)像素最終“重新收集”的過程。重新收集會(huì)增加相當(dāng)大的時(shí)間來渲染最終的圖像，但是它仍然具有產(chǎn)生出最細(xì)致的沒有瑕疵的圖像的可能。

上面的處理過程可用圖1表示：

光能傳遞過程最初的兩個(gè)階段出現(xiàn)在光能傳遞過程的初級(jí)處理階段，第三個(gè)階段在最終的渲染中使用。在最初兩個(gè)階段中，可以在任何時(shí)候開始和停止進(jìn)程。這可以用作估測(cè)中間階段的結(jié)果或者提高所期望的精確水平。舉例來說，可以暫停50%初始質(zhì)量的階段，跳到細(xì)分階段。然而，一旦進(jìn)入了細(xì)分階段，就不能繼續(xù)進(jìn)一步修改基本質(zhì)量，除非你重新進(jìn)入解決方案。

4 光線跟蹤與光能傳遞性能對(duì)比

光線跟蹤與光能傳遞是兩種不同的渲染算法，它們?cè)贛AX中的實(shí)現(xiàn)方法也是不一樣的。對(duì)光線跟蹤而言，可以通過材質(zhì)編輯器賦予場(chǎng)景中模型Raytrace材質(zhì)，即可給該模型設(shè)置局部光線跟蹤參數(shù)。如果對(duì)場(chǎng)景全局應(yīng)用光線跟蹤，則可以選擇Render Scene－Raytracer－Raytracer Global Parameters展卷欄設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。另外，使用光線跟蹤貼圖可以替代光線跟蹤材質(zhì)，用在不適宜使用光線跟蹤材質(zhì)的地方。光能傳遞在MAX中是一種高級(jí)光照解決方案，所以在場(chǎng)景中離不開燈光。在MAX中有兩大類燈光，Standard和Photometric。這兩種光源實(shí)現(xiàn)光能傳遞基本是一致的，只不過在某些控制選項(xiàng)上略有不同，同時(shí)注意場(chǎng)景尺寸、燈光亮度的正確范圍、自然光的模擬、材質(zhì)的反射度、曝光控制等問題。

通過下面的表格對(duì)兩種算法加以對(duì)比：

5 結(jié)束語

三維設(shè)計(jì)過程中應(yīng)綜合考慮貼圖、燈光控制、速度、材質(zhì)、質(zhì)感、顏色采樣、景深、運(yùn)動(dòng)模糊等各方面，最后選擇適合的渲染器進(jìn)行渲染。無論光線跟蹤還是光能傳遞都不能為所有全局照明效果的模擬提供最完整的解決方案。光能傳遞在渲染漫反射到漫反射的相互反射時(shí)更有優(yōu)勢(shì)，而光線跟蹤在渲染鏡面反射方面有優(yōu)勢(shì)。通過使用產(chǎn)品級(jí)質(zhì)量掃描線渲染系統(tǒng)綜合兩種技術(shù)，3ds Max可以提供這兩者的最佳結(jié)合。結(jié)合了兩種技術(shù)渲染的場(chǎng)景，比單獨(dú)使用任一種技術(shù)所能得到的場(chǎng)景更真實(shí)，可以提供各種視覺的可能性，創(chuàng)造出具有非比尋常的質(zhì)量和真實(shí)感的圖像。

參考文獻(xiàn)：

[1] (美)Kelly L.Murdock. 3ds max7寶典[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[2] Stephen Spencer， Overview of Radiosity:http://www.siggraph.org/education/materials/HyperGraph/radiosity/overview_1.htm.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。