22 光栅化与光线追踪

在计算机图形学中，光栅化和光线追踪是两种主要的图形渲染技术。虽然这两种技术的目标相似：将三维场景转换为二维图像，但它们的实现方式截然不同。下文将详细介绍这两种技术，并通过一些案例讲解它们的应用。

光栅化

光栅化是现代图形渲染中最常见的技术之一，其核心思想是将图形数据转换为屏幕像素格式的过程。光栅化通常遵循以下几部曲线步骤：

1. 顶点处理：在这一阶段，顶点着色器会处理3D模型的每个顶点，执行变换和光照计算。

2. 图元装配：将处理后的顶点连接成图元（如三角形），以构成更复杂的模型。

3. 光栅化：在此阶段，图元被转换成屏幕上的像素。在每个图元内，光栅化过程会决定哪些像素应被填充，并计算这些像素的颜色。

4. 片段处理：在这一阶段，片段着色器会对每个像素进行进一步处理，计算最终的颜色值并生成纹理效果。

5. 输出合并：最后，将片段的颜色值与帧缓冲中的已有颜色值进行合并。

案例：光栅化实现简单三角形

以下是一个使用 OpenGL 实现光栅化的简单示例策略：

// 定义一个简单的三角形
GLfloat vertices[] = {
    0.0f,  0.5f, 0.0f,  // 顶部
   -0.5f, -0.5f, 0.0f,  // 左底
    0.5f, -0.5f, 0.0f   // 右底
};

GLuint VBO, VAO;
glGenVertexArrays(1, &VAO);
glGenBuffers(1, &VBO);

glBindVertexArray(VAO);

glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);

glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(GLfloat), (GLvoid*)0);
glEnableVertexAttribArray(0);

glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);
glBindVertexArray(0);

光线追踪

光线追踪是一种基于物理的渲染技术，模拟光如何在场景中传播。光线追踪通常涉及以下步骤：

1. 光线生成：从观察者的视角出发，射出光线穿透像素，通常会设置多条光线路径以获得更真实的效果。

2. 光线与对象的相交检测：在场景中找到光线与物体的交点，以判断哪些物体被光线击中。

3. 光照计算：在交点，根据光源的位置、颜色、材质属性等计算每个点的颜色。

4. 反射和折射：光线击中物体后，会根据物体的材质进行反射和折射，可能会生成更多的光线进行进一步的光照计算。

5. 合成最终图像：所有光线的结果会进行合成，形成最终的图像。

案例：实现简单的光线追踪

以下是一个简单的光线追踪代码片段，演示如何在二维图像中渲染圆形：

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

width, height = 400, 400
image = np.zeros((height, width, 3), dtype=np.uint8)

for y in range(height):
    for x in range(width):
        # 将屏幕坐标转换为标准坐标系
        nx = (x - width / 2) / (width / 2)
        ny = (y - height / 2) / (height / 2)
        
        # 简单的光线方程: 判断是否在单位圆内
        if nx**2 + ny**2 < 1:
            image[y, x] = [255, 0, 0]  # 设置圆形内部为红色

plt.imshow(image)
plt.axis('off')
plt.show()

总结

光栅化和光线追踪作为两种重要的图形渲染技术，各自适合不同的应用场景。光栅化速度较快，适用于实时渲染，如游戏和交互式应用；而光线追踪能够生成更加真实的图像效果，常用于电影制作和高质量三维渲染。了解这两种技术的优缺点，有助于在不同的渲染需求中选择合适的方法。

接下来，我们将继续探讨全局光照和渲染技术，以进一步提升我们对图形渲染的理解与掌握。