光线跟踪算法的研究与实现

论文字数:13964,页数:35  有开题报告，任务书

摘  要

 在计算机图形学中，真实感技术占有着重要地位。采用真实感技术生成的图形能够真实地反映物体表面的颜色和亮度的细微变化，表现出物体表面的质感。另外还能通过生成光照下物体的阴影，极大地改善场景的深度感和层次感，充分体现物体间的相互遮挡关系，并且能够模拟物体的透明效果和镜面物体的镜面效果。
 光线跟踪算法是真实感生成技术中的主要算法之一，采用整体光照模型来模拟场景环境中的光照情况。光线跟踪能很自然地解决环境中所有物体之间的消隐、阴影、镜面反射和折射等问题，并且能够生成十分逼真的图形。光线跟踪算法较难理解，但其实现相对简单，采用递归算法即可。递归的光线跟踪算法计算量十分巨大，因此应尽可能减少求交计算量是提高光线跟踪效率的关键。
 本文从简单的光照模型入手，对光线跟踪算法进行了一定的研究，重点研究了光线跟踪算法的原理、光线跟踪的过程，以及涉及的求交算法。本文还根据基本的递归光线跟踪算法原理，结合windows的图形设备接口（GDI），使用C++语言，在MFC框架下实现了小型的算法演示系统，该系统创建了一个三维空间场景，并在此场景中放置物体，利用光线跟踪算法模拟光照效果。

关键词：真实感，光线跟踪，光照模型

Research and Implementation of Ray Tracing Algorithm

Abstract
 In computer graphics, the technology of realism plays an important role. The graphics made by realistic technology can reflect minor changes in the surface brightness and colors, which can show the surface texture of an object. By generating the shadow of the light, it improves the sense in depth and gradation of the scene, and reflects the relation of mutual occlusion between objects. Also, realistic technology can simulate transparent objects and mirror effect.
 Ray-tracing algorithm is one of the most important algorithms of realistic generation technology. It used a whole light model to simulate the illumination condition of the scene. Ray-tracing can solve all the issues about hiding, shadow, specula reflection and refraction unaffectedly, and can product a very vivid graphics. The ray-tracing algorithm is hard to understand, but it can be achieved by recursion. The amount of calculation of ray-tracing algorithm is very huge. So, how to minimize the intersection calculation is the key to improving efficiency of the ray-tracing algorithm.
 Starting with the simple light model, this paper researched the ray-tracing algorithm, including the ray-tracing theory, the procedure of ray tracing, and the algorithms of calculating intersection. Depending on the basic theory of ray-tracing algorithm, this paper realized a small-scale demo under the framework of MFC, using the C++ and Windows GDI. The demo set up a 3D scene, and put some objects in it. Then, it can simulate the illumination effect by ray-tracing algorithm.
 
Key Words：Realistic, Ray Tracing, Lighting Model

 目   录
 毕业论文原创性声明  I
 毕业论文版权使用授权  II
摘要  III
Abstract  IV
1 引言  1
 1.1 课题研究的背景及意义  1
 1.2 国内外研究现状  1
 1.3 本文内容与结构  2
 1.4 本文研究的主要方向  3
2 相关基础知识  4
 2.1 几何光学基础知识  4
 2.2 光线跟踪相关基础  5
 2.2.1 光源  5
 2.2.2 环境光  6
 2.2.3 漫反射  7
 2.2.4 镜面反射光  8
 2.2.5 Phong光照模型  9
 2.2.6 整体光照模型  11
3 光线跟踪算法  13
 3.1 光线跟踪的基本原理  13
 3.2 本文算法实现的思想  16
4 光线与物体的求交  20
 4.1 光线与球的求交  20
 4.1.1 代数解法  20
 4.1.2 几何解法  21
 4.2 光线与多边形的求交  23
 4.3 光线与二次曲面的求交  24
 4.4 本文程序实现的求交算法  25
5 论文总结  27
 5.1 光线跟踪算法的后续研究方向  27
 5.2 辐射度方法  29
 5.3 论文结语  29
致谢  33
参考文献  34

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