1.2 photorealistic rendering and the ray-tracing algorithm

写在前面
我一直在为gpu gem系列的书找一个学习渲染的平台，据说今天是creator 3d 2.10 正式版发布的日子，等发布了可以试一下。

正文

1.2 照片级渲染以及光线追踪算法

照片级渲染的目标就是：渲染一张让人无法区分真假的图片。在我们介绍渲染的过程之前，我们要明白，对于现实世界的观察是因人而异的，对于真实的感受也同样因人而异。所以尽管这本书试图去涵盖一部分人类感官上的内容。但是给予人们精确的真实感渲染仍旧存在大量科学问题亟待解决。只能说，我们尽力而为。
几乎所有的照片级渲染系统背后的算法都是光线追踪，光线追踪的思路很简单：就是跟踪进入相机(眼球)的光线，观察光线在场景中反弹的过程中，光自身属性上的变化。尽管有多种不同方式来实现光线追踪器，它们还是具备一些共通的点：

• 相机：相机决定了场景如何被观察以及从哪里被观察。许多渲染系统从相机开始生成追踪光线，射向场景。
• 光线与场景求交点：我们需要知道发射的光线打在场景中哪个物体身上了。然后获取这个交点一些基本信息，比如表面的法线或材质。当我们求交的时候，发现光线穿过了多个物体时，通常我们取最近的交点。
• 光源： 没有光源我们就啥都看不到了，一个光线追踪器肯定要知道光能在场景中的分布,那首先我们需要知道光源的位置，以及光源表面光能的分布。
• 可见性： 我们需要知道场景中某个点，是否被光源照射到了，很简单，看一下这个点和光源的连线之间有没遮挡物就好了。
• 表面散射： 场景中的物体需要告诉光线，当光线打到自己身上时，光线会发生什么变化：光线可能会发生方向的变化(反射，折射，弹向多个方向),还可能发生能量的变化(变暗淡,变色,弹向不同方向的能量变化不一)
• 间接光照： 光线打到场景的物体上会发生反弹，反弹的光线可以继续打向场景中其他物体，这时我们需要进一步跟踪，来获取更详细的光信息。
• 光线传播： 光在真空中传播时保持能量守恒，但是讲道理地球上真空环境是不常见的，我们还需要模拟光线通过烟，雾，地球大气等的表现。

1.2.1 相机

相机对我们来说，不陌生：我们按下快门，然后图像就被记录到胶卷或者SD卡中了。让我们从一个简单的相机说起：针孔摄像机。针孔摄像机由一个开了小孔的小盒子组成(图 1.1)。
光线通过小孔，然后打到针孔摄像机内部的胶卷上，尽管针孔摄像机很简陋，但还是有人在使用它，用于拍摄具有艺术观赏性的照片吧。当然，以这种方式拍照，需要让相机放置足够长的时间，让光线进入小孔，以让足够多的光能驻留在胶卷上(曝光?)。
尽管现代的相机要比针孔摄像机复杂的多了，但对我们来说，一切从简是一个很好的开始。
对于相机来说，很重要的一个点是，我们要决定拍下场景中的哪一部分。在图1.1中，我们看到，连接了胶卷和针孔的连线，形成了两个金字塔形状，外侧的金字塔不断延申向场景中。
场景中的物体，不在外侧的金字塔内的，自然就不会被拍进胶卷内了。现代的相机可以拍摄到的角度肯定比金字塔形状要复杂的多了，所以我们换个名词，我们把相机看到的角度范围称为视野(viewing volume)