レイトレーシング法とは何か
本実験ではレイトレーシング法という写実的な3DCGを生成する技術について学ぶ． レイトレーシング法(光線追跡法ともいう)は1980年にTurner Whittedによって提案された手法で，現在のより高度な3DCG生成技術の基礎となっている．
レイトレーシング法には，以下のような特徴がある．
- 実装が比較的容易である
- 様々な幾何形状を扱うことができる
- 完全鏡面反射や屈折を扱うことができる
とくに，図1のように屈折や反射を表現できることが レイトレーシング法の最大の強みである．
図1. 反射・屈折の表現
以下にレイトレーシング法によって生成した画像の作例を示す．
作例:
実験環境
本実験では，「グラフィックス基礎」と同じく実験環境として Windowsと，Windows版のProcessingを用いる．
レイトレーシング法のしくみ
我々が何らかの物体を「見る」までには，光は以下のような過程を経ている．
- 光源から光が発せられる
- 物体の表面で光が反射する．
- （あるいは光が物体に進入し屈折する．）
- 観察者の目に物体によって反射（あるいは屈折）した光が届く．
図2にその様子を示す．
図2. 光が光源に届くまでの様子
レイトレーシング法は，光が光源から我々の目に届くまでの過程を目から光源に向かって 追跡しどのように見えるかを再現する手法である．
処理の手順は以下のようになる(図3)．
- 観察者の視点位置と視線方向を決める．
- 視線方向で最も近い物体を探し，その物体との交点位置とその点での法線ベクトルを求める．
- 物体表面の光源の性質を使ってその点での色を決定する．
図3. レイトレーシング法の処理手順
このため視線追跡法という呼び方をされることもある．また英単語のrayは光線という意味の他に半直線という意味もある． 以降では半直線の意味でレイという言葉を用いる．
アルゴリズム
前節では目→物体→光源の単一の追跡のみを説明したが，我々の視界は線ではなく広がりを持っている． そこで空間中に矩形のスクリーンを想定し，スクリーン上の各点に対して前節で説明したような視線の追跡を行う． このスクリーンは最終的な出力画像に対応する．
したがって処理手順は以下のようになる(図4)．
1. 視点の位置を決める．
2.
for(yを0からH-1まで繰り返す)
{
for(xを0からW-1まで繰り返す)
{
3. 視点位置から点(x,y)に向かう半直線と物体との交差判定を行う．
4.
if (半直線が物体と交差する場合)
{
if ( 物体の交点と公言の間に他の物体がない )
4a. シェーディングの処理を行う(図1-3a)．
else
4b. 影として扱う(図1-3b)．
}
else
{
4c. 次の点を処理する(背景色として扱う，図1-3c)．
}
}
}
Wは画像の幅，Hは画像の高さである．
図4. レイトレーシング法の処理手順
擬似コードとして表すと以下のようになる．
for (int y = 0; y < height; ++y )
{
for(int x = 0; x < width; ++x )
{
// 視点から点(x,y)方向へのレイを飛ばす．
if ( /* 交差がある場合 */ )
{
if ( /* 交点と光源の間に他の物体がない場合 */ )
// 画素値の計算
else // 交点と光源の間に他の物体がある場合
// 画素値の計算
}
// 画素値の書き込み
}//for
}//for
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