[发明专利]执行射线追踪的方法和系统

说明书

技术领域

本发明的实施例一般涉及图像处理领域。

背景技术

从三维场景渲染(render)二维图像的过程一般被称作图像处理。随着现代计算机工业的发展进步，图像处理也在发展进步。图像处理的发展进步中的一个特别的目标是使二维模拟或三维场景的渲染尽可能具有真实感。渲染具有真实感的图像的一个限制是现代监视器通过使用像素来显示图像。

像素是能够在监视器上被点亮的最小空间区域。多数现代计算机监视器将使用几十万或几百万个像素的组合来构成整个显示或渲染的场景。单个的像素被布置为栅格图案并且集合地覆盖监视器的整个观看区域。每个单个像素都可以被点亮以渲染用于观看的最终图片。

一种利用像素将真实世界三维场景渲染到二维监视器上的技术被称作光栅化。光栅化是这样一种过程，其取以向量格式(场景内的几何对象的数学表示)表示的二维图像，并且将该图像转换成用于在监视器上显示的各个像素。光栅化在快速渲染图形和使用相对低的计算能力量方面是有效的；然而，光栅化也具有一些缺点。例如，光栅化经常苦于缺少真实感，因为光栅化并不基于光的物理性质，而是基于场景中投影到二维平面上的三维几何对象的形状。此外，利用光栅化渲染场景所需的计算能力与要被渲染的场景的复杂度的增大直接成比例。随着图像处理变得更加具有真实感，所渲染的场景也变得更加复杂。因此，光栅化随着图像处理的发展进步而相形见绌，这是因为光栅化直接与复杂度成比例。

利用像素将真实世界三维场景渲染到二维监视器上的另一技术被称作射线追踪(ray tracing)。射线追踪技术追踪假想射线(与光线特性相似的射线)向要被渲染到计算机屏幕上的三维场景的传播。所述射线起源于坐在计算机屏幕后的观看者的眼睛(双眼)，并且向着三维场景穿过组成计算机屏幕的像素。每条被追踪的射线前进进入该场景，并且可以与该场景内的对象相交。如果一条射线与场景内的一个对象相交，则使用该对象的特性和若干其它贡献因素来计算该射线所暴露于其中的颜色和光的量、或者颜色和光的缺少量。然后利用这些计算来确定所追踪的射线通过的像素的最终颜色。

追踪射线的处理对单个场景被执行多次。例如，可以对显示器中的每个像素追踪单条射线。一旦已经追踪了充分数量的射线以确定组成计算机屏幕的二维显示的全部像素的颜色时，可以在计算机屏幕上向观看者显示该三维场景的二维合成。

射线追踪一般地比光栅化更具真实感地渲染真实世界三维场景。这部分地由于以下事实：即射线追踪模拟了光如何在真实世界环境中传播和表现，而不是像光栅化那样简单地将三维形状投影到二维平面上。因此，使用射线追踪所渲染的图形更加准确地在监视器上描绘出我们的眼睛在真实世界中通常会看到什么。

此外，随着场景变得更加复杂，射线追踪对场景复杂度提高的处理也优于光栅化。射线追踪与场景复杂度对数地成比例。这是由于以下的事实：即相同数量的射线可以被投射到场景中，即使该场景变得更复杂。因此，射线追踪并不像光栅化那样随着场景变得更复杂而无法应对计算能力要求。

射线追踪的一个主要缺点是渲染场景需要大量计算，从而需要大的处理能力。这在需要快速渲染时导致问题，例如当图像处理系统例如在游戏机中为了动画目的而要渲染图形时。由于对射线追踪的计算要求提高，难以足够快速地渲染动画以便看上去具有真实感(具有真实感的动画大致为每秒二十到二十四帧)。

因此，需要更有效的技术和装置来执行射线追踪。

发明内容

本发明的实施例一般提供了用于执行射线追踪的方法和设备。

根据本发明的一个实施例，提供一种执行射线追踪的方法，所述方法一般包括：生成一组进入三维场景的初级射线；以第一次序聚集次级射线，其中所述次级射线是当初级射线与场景内的对象相交时生成的；将所述次级射线重新排序为新的次序；以及按照新的次序使次级射线遍历通过空间索引，其中空间索引具有节点，所述节点表示场景内的包围体。

根据本发明的另一个实施例，提供一种计算机可读介质。所述计算机可读介质包含在被执行时进行一般包括以下步骤的操作：生成一组进入三维场景的初级射线；以第一次序聚集次级射线，其中所述次级射线是当初级射线与场景内的对象相交时生成的；将所述次级射线重新排序为至少第一组和第二组，其中第一组内的次级射线共享相似的特性；以及将第一组中的次级射线一起发送到处理元件用于空间索引遍历，其中空间索引包含节点，所述节点表示三维场景内的包围体。