光线追踪是一种渲染技术，通过模拟光线在场景中的传播和交互来生成逼真的图像，其核心主要包括以下几个关键部分：

光线生成

• 光线发射：从虚拟摄像机的位置向场景中发射光线，这些光线代表了我们观察场景的视角。通常，会根据屏幕上的像素位置和摄像机参数来确定每条光线的方向，从而覆盖整个视野范围。
• 光线采样：为了提高渲染效率，需要对光线进行采样。这涉及到确定发射光线的数量和分布方式，以在图像质量和渲染速度之间取得平衡。常见的采样方法包括均匀采样、随机采样和重要性采样等。

光线与物体的相交检测

• 几何相交计算：这是光线追踪的核心计算之一。对于场景中的每个物体，需要判断发射的光线是否与该物体相交，如果相交，则需要计算出相交点的位置、法向量等信息。这通常涉及到复杂的几何计算，例如求解光线方程与物体表面方程的联立方程组。
• 加速结构：为了提高相交检测的效率，通常会使用加速结构来组织场景中的物体。常见的加速结构有包围盒层次结构（BVH）、八叉树等。这些结构可以快速排除那些不可能与光线相交的物体，从而减少不必要的计算。

光线传播与交互

• 材质属性：当光线与物体相交后，需要根据物体的材质属性来确定光线的行为。不同的材质具有不同的反射、折射、散射等特性，例如，金属材质通常具有高反射率，而玻璃材质则具有高透明度和折射效果。
• 光线反射与折射：根据材质的反射和折射属性，计算反射光线和折射光线的方向和强度。这涉及到物理光学中的反射定律和折射定律的应用。反射光线的方向可以通过计算入射光线与物体表面法向量的夹角来确定，而折射光线的方向则需要考虑材质的折射率等因素。
• 光线散射与吸收：在一些情况下，光线还会在物体内部发生散射或被吸收。例如，当光线穿过烟雾或半透明物体时，会发生散射现象，使光线的方向和强度发生变化。这需要考虑物体的散射系数、吸收系数等物理属性来模拟光线的传播效果。

光照计算

• 直接光照：计算光线直接从光源照射到物体表面产生的光照效果。这可以通过计算光线与光源之间的距离、夹角以及光源的强度和颜色等因素来确定物体表面的光照强度和颜色。
• 间接光照：考虑光线在场景中多次反射和折射后产生的间接光照效果。这是光线追踪能够生成逼真图像的重要原因之一，因为它可以模拟光线在场景中的复杂传播和交互，使物体表面的光照更加自然和真实。间接光照的计算通常需要对场景中的其他物体进行多次光线追踪，以确定它们对当前物体表面的光照贡献。

渲染与图像合成

• 像素颜色计算：根据光线与物体的相交情况以及光照计算的结果，确定每个像素的最终颜色。这通常是通过将直接光照和间接光照的贡献相加，并考虑物体的材质属性和其他因素来得到的。
• 抗锯齿处理：由于光线追踪是基于离散的光线采样，可能会导致图像中出现锯齿状的边缘或闪烁现象。为了提高图像质量，需要进行抗锯齿处理，常见的方法有超级采样、多重采样等。
• 图像合成与后处理：将计算得到的每个像素的颜色组合成最终的图像，并可以进行一些后处理操作，如调整颜色、对比度、添加特效等，以进一步提高图像的视觉效果。