Трассировка фотонов

Фотон – элементарная частица, несущая некоторую небольшую порцию световой энергии. Испускаемые источником света фотоны могут отражаться (диффузно или зеркально) от объектов сцены, либо поглощаться ими (см. рис. 1). Фотон может претерпевать несколько зеркальных отражений, до того, как он будет поглощён или диффузно отражён, таким образом зеркальные отражения носят промежуточный характер. В фотонной карте сохраняется информация только о поглощённых и диффузно отражённых фотонах.

Рисунок 1 (с сайта www.ray-tracing.ru). Процесс трассировки фотонов.

В случае если в сцене присутствует не один источник света, а несколько, фотоны должны испускаться каждым из них, причём, чем источник света ярче, тем больше фотонов он должен испускать. На первый взгляд может показаться, что для визуализации сцен с несколькими источниками света потребуется испустить больше фотонов, чем для сцен с единственным источником. Но это не так. В сценах с несколькими источникам света каждый из источников вносит меньший вклад в освещение всей сцены, поэтому можно просто сократить число фотонов, испускаемых каждым из источников.

Энергия, переносимая фотоном, рассчитывается как отношение мощности источника света (его яркости), испустившего фотон, к числу испущенных им фотонов. Источники бывают различных типов: точечные (point light), протяжённые (area light), объёмные (complex light) и т.п. В зависимости от типа источника, фотоны испускаются по-разному. Например, точечный источник света испускает свет равномерно во всех направлениях. Это значит, что при испускании конкретного фотона на сфере ненулевого радиуса с центром в этом точечном источнике берётся случайная точка и фотон испускается в направлении вектора, проведённого из точечного источника через эту случайную точку. Протяжённые источники света (такие как на рис. 2) испускают фотоны равномерно со всей своей поверхности (используется метод Монте-Карло [2]). Протяжённый источник света испускает фотоны во всех направлениях "наружу" своей поверхности.

Рисунок 2 (с сайта www.graphics.cornell.edu). Сцена Cornell Box с протяжённым источником света.

В процессе трассировки фотоны ударяются о различные поверхности. В зависимости от свойств материала, фотон может отразиться диффузно (то есть в случайном направлении), зеркально (угол падения равен углу отражения), пройти через (прозрачную или полупрозрачную) поверхность или полностью поглотиться. При диффузном отражении и поглощении, запись о фотоне сохраняется (для начала, в обычном списке или массиве). Какое из событий произойдёт с фотоном, выбирается методом “Русской рулетки” [3].