ＭＡＸ渲染算法光線跟蹤與光能傳遞的分析對比

摘要：光線跟蹤（Raytracer）與光能傳遞（Radiosity）渲染是3D設計軟件中常用的渲染方法，對場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行大量復雜的運算，尤其是光能傳遞對計算機系統的性能要求很高，對硬件平臺的運算速度和能力都有很苛刻的要求。

關鍵詞：光線跟蹤；光能傳遞；渲染

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A文章編號：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

如何達到真實世界逼真的光影效果一直是計算機圖形渲染所追求的目標。在3ds Max中創建的3D模型包含有每個對象的材質和場景中的照明的信息。在創建幾何體模型的計算機圖形圖像過程中的任務決定每個像素的顏色，使用的顏色基于模型信息和指定的視點（攝像機）。模型中曲面上任一指定點的顏色都是曲面的物理材質屬性和照明燈光的函數。因此，材質和燈光在視覺處理中扮演著很重要的角色。材質的屬性決定了模型的顏色、透明度、反射和折射；燈光用于場景的照明，光線太強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與燈光方面提供了更具有真實感的優化解決方案。

1 局部照明和全局照明

兩個常規的光線傳遞算法為：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，通過數學算法預測離開曲面的燈光的強度、顏色和分布，與材質屬性相結合，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的曲面如何反射或透射燈光。在定義單獨的曲面如何與局部級的燈光相交互后，使用3ds Max約定的掃描線渲染系統，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，同時也需要考慮環境中的所有曲面和對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，在它們上面會看到其它曲面的反射；某些曲面透明，我們會透過它們看到其它曲面；而且有些曲面會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提供的作為其產品級渲染系統的兩種全局照明算法。

2 光線跟蹤及處理過程

光線跟蹤（Raytracer）算法對在場景中運動的數以億計的光子中進行識別，它跟蹤從屏幕中每個像素進入3D模型的反向光線。要使用光線跟蹤創建圖像，對于計算機屏幕上的每個像素執行下列步驟：

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

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

·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）方向反復執行，直到遇到另一曲面。后續相交點的顏色也用于計算原始點的顏色。

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

光線跟蹤算法的應用非常廣泛，因為它可以建立多種照明效果的模型。它可以精確地實現直接照明的全局照明特性、陰影、鏡面反射（比如鏡子）以及通過透明材質的折射。光線跟蹤的主要不足在于即使對中等復雜的環境它也可能處理得非常慢。光線跟蹤的另一個不足之處在于，這種算法對全局照明非常重要的特性，即漫反射的相互反射計算的不是非常精確，只有直接來自于光源自身的燈光才被精確考慮。因此，光線跟蹤圖像通常看起來過于平面化，尤其是在建筑環境的渲染上，這些建筑環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的對象上，這些材質將光線跟蹤指定為其著色選項。

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無關（view-independent）的全局照明（global illumination）算法，它模擬場景中漫反射表面間的光能傳遞過程。假定所有到達物體表面（surface）的光線都會被反射回場景中，這樣場景中所有可見的物體都能發出光線或反射光線，光能在場景的表面間可以互相傳遞。它不僅決定場景中每個像素的顏色，也計算環境中所有曲面的強度，通過計算分布在從每個網格元素到其它網格元素的燈光量，為網格的每個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的發射率，pi－表面i的反射率。

Fij－表面j相對于表面i的形狀因子。

從方程可以看出，從一個物體表面輻射出來的光能（Bi）等于該表面本身發出的光能（Ei）加上從其它表面發射到該表面且被該表面發射的光能（pi∑BjFij）。很顯然，場景越復雜、模型越多或是模型被細分為很多網格，需要計算的表面數量就非常龐大，將耗費大量的運算時間。當場景中應用了貼圖BumpMaping、大氣（大氣中的微粒散射在理論上應計算入光能傳遞之內）等效果后，計算復雜度將大得無法用普通的計算機計算，這也是光能傳遞只適宜渲染靜幀作品而不適宜渲染動畫的原因。

光能傳遞解決方案階段包括初始質量，細分以及像素重新收集三個階段。

· 初始質量：在初始質量階段，場景中漫反射光線的分配本質上是模擬真實光子運動來計算的。應用統計學的方法來選擇分布在空間中具有真實分布代表性的光子進行光子傳遞計算。由于使用了統計學的取樣過程，巨大數量的光線使用了近似值。在初始質量階段，場景燈光水平的總體面貌已經確定了，結果可以在視窗中交互式的顯示。初始質量階段運行重復的過程，在對話框的進程工具中可以顯示。

·反復細分：因為在初始質量階段取樣的隨機性，場景中一些細小的面或者網格元素可能錯過足夠的光線照射（或者沒有任何光線照射）。這些細小的面仍然保持黑暗，結果表現的是與其它面不一致或者黑斑。為了減少這些瑕疵，細分階段每個表面元素都將“重新收集光線”。細分可以執行細分整個場景或者細分被選擇的場景。

·像素重新收集：在細分階段以后，仍然可能在場景中出現可見的瑕疵，這是由于原本模型的拓撲結構決定的。這些瑕疵有時候以黑洞或者是亮斑的形式出現。為了避免這些模型缺陷造成的瑕疵，第三個可選擇的細分階段作為像素重新收集出現在圖像渲染的時候。這包括一個為圖像的每一個像素最終“重新收集”的過程。重新收集會增加相當大的時間來渲染最終的圖像，但是它仍然具有產生出最細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階段出現在光能傳遞過程的初級處理階段，第三個階段在最終的渲染中使用。在最初兩個階段中，可以在任何時候開始和停止進程。這可以用作估測中間階段的結果或者提高所期望的精確水平。舉例來說，可以暫停50%初始質量的階段，跳到細分階段。然而，一旦進入了細分階段，就不能繼續進一步修改基本質量，除非你重新進入解決方案。

4 光線跟蹤與光能傳遞性能對比

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

通過下面的表格對兩種算法加以對比：

5 結束語

三維設計過程中應綜合考慮貼圖、燈光控制、速度、材質、質感、顏色采樣、景深、運動模糊等各方面，最后選擇適合的渲染器進行渲染。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更有優勢，而光線跟蹤在渲染鏡面反射方面有優勢。通過使用產品級質量掃描線渲染系統綜合兩種技術，3ds Max可以提供這兩者的最佳結合。結合了兩種技術渲染的場景，比單獨使用任一種技術所能得到的場景更真實，可以提供各種視覺的可能性，創造出具有非比尋常的質量和真實感的圖像。

參考文獻：

[1] (美)Kelly L.Murdock. 3ds max7寶典[M]. 北京：電子工業出版社，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、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。