JIEZCODE
首页 文章 专题 项目 关于我
JIEZCODE

第-1-章-从零开始的光线追踪之旅

Jiezcode avatarJiezcode   
         

Course: I wrote a Ray Tracer from scratch… in a Year

🎮 第 1 章：从零开始的光线追踪之旅

🏛 适用环境：自研引擎 / C++17 / SDL2 / Vulkan / OpenGL

🎯 目标：理解“光线追踪”的基本思想、渲染循环、与传统光栅化的区别。

🧭 引擎定位

适用于任何底层渲染系统（ Vulkan / OpenGL / CPU Software Renderer），本章讲述从零构建一个纯 CPU 光线追踪器的思维路径。

重点是 “思想先于优化”：先让光线击中物体，再谈性能。

🏷 关键词速记

Ray Tracing｜光线追踪

Rasterization｜光栅化

CPU Renderer｜软件渲染器

Scene Graph｜场景图

Intersection｜光线交点

Recursion｜递归反射

🎮 30 秒玩法摘要

光线追踪不是“画出光线”，而是“倒着思考”：

从相机发射光线 → 找它撞到什么 → 模拟光线再反弹 → 得到像素颜色。

📚 核心原理讲解

🔹 1. 什么是光线追踪？

在传统的 光栅化（Rasterization） 渲染中，我们从场景中“画三角形”：

模型 → 投影 → 光照 → 屏幕像素。

而在 光线追踪（Ray Tracing） 中，我们反过来：

屏幕像素 → 发出光线 → 穿越场景 → 计算交点 → 决定颜色。

这是一种从相机出发的反向光线模拟。

🔹 2. 光线方程

一条光线可表示为：

P(t)=O+tD \mathbf{P}(t) = \mathbf{O} + t \mathbf{D}
  • [\mathbf{O}]：光线起点（相机位置）
  • [\mathbf{D}]：光线方向（单位向量）
  • [t]：距离参数，决定光线行进距离

光线击中物体的条件是：

找到某个 [t > 0]，使得 [\mathbf{P}(t)] 落在物体表面上。

🔹 3. 光线追踪渲染循环

每个像素都会发出一条或多条光线，算法如下：

📦 伪代码

for each pixel (x, y):
    Ray ray = camera.generateRay(x, y)
    Color color = trace(ray, depth=0)
    framebuffer[x][y] = color

而 trace() 函数递归处理反射、折射与阴影：

Color trace(Ray ray, int depth) {
    if (depth > MAX_DEPTH) return backgroundColor;
    HitInfo hit = scene.intersect(ray);
    if (!hit) return backgroundColor;

    Vector3 normal = hit.normal;
    Vector3 lightDir = normalize(light.pos - hit.pos);
    float diffuse = max(dot(normal, lightDir), 0.0f);
    return hit.material.color * diffuse;
}

🔹 4. 为什么选择从零实现

在视频中，作者提到：“我从完全不懂光线追踪，到一年后能输出一张逼真的图像。”

这反映出光线追踪的三层难度：

阶段内容技术关键词
第一阶段光线与物体交点Sphere Intersection
第二阶段光照模型Diffuse / Specular
第三阶段全局光照Path Tracing / Monte Carlo

🔹 5. 与光栅化的根本区别

对比项光栅化光线追踪
渲染方向从模型到像素从像素到模型
核心单位三角形光线
反射与折射伪实现真实模拟
性能极快极慢（需加速结构）
真实感较低极高（物理一致性）

📦 代码实现片段

最小光线追踪器结构：

struct Ray {
    Vec3 origin, dir;
    Ray(const Vec3& o, const Vec3& d): origin(o), dir(normalize(d)) {}
    Vec3 at(float t) const { return origin + dir * t; }
};

struct Sphere {
    Vec3 center; float radius;
    bool hit(const Ray& ray, float& t) const {
        Vec3 oc = ray.origin - center;
        float a = dot(ray.dir, ray.dir);
        float b = 2.0f * dot(oc, ray.dir);
        float c = dot(oc, oc) - radius * radius;
        float discriminant = b*b - 4*a*c;
        if (discriminant < 0) return false;
        t = (-b - sqrt(discriminant)) / (2.0f * a);
        return t > 0;
    }
};

这段代码实现了最核心的部分：

“判断一条光线是否击中球体。”

🧪 实验与验证步骤

1️⃣ 实现一个单球场景

  • 定义相机位置 O(0,0,0)
  • 画布范围 [-1,1]
  • 球心 C(0,0,-5) 半径 r=1
  • 对每个像素生成射线并测试相交。

2️⃣ 着色验证

  • 若击中，颜色 = (法线 + 1) * 0.5 → 显示球面渐变。
  • 若未击中，显示蓝色背景。

3️⃣ 递归验证

  • 添加一次镜面反射（depth +1），可看到球体反光。

🪄 创作与实现建议

  • 从 CPU 开始（不依赖 GPU），有助于理解光线与几何的本质。
  • 输出 .ppm 或 .png 直接验证结果，不必过早做 UI。
  • 用 C++17 + STL 即可，无需外部库。
  • 后期再引入多线程（std::thread 或 OpenMP）。
  • 保留中间结果截图（早期图像灰模阶段最重要！）。

🧠 记忆口诀

“光线反打摄像机，交点才显物体迹；像素生光行万里，方得一帧真天地。”

✅ 实践题

Q1：光线追踪中的“反向”指的是什么？

🅰️ 从相机出发追踪光线，而非从光源发射。

Q2：为什么每个像素都需要独立光线？

🅰️ 因为每个像素代表不同视角方向，需要独立计算可见物体与光照。

Q3：光线方程中的 t 有什么物理含义？

🅰️ 光线沿方向向量的行进距离参数。

 Course Notes
 |