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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の特徴として，
- 実装がきわめて単純である
- 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
といった特徴がある．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，実験環境としてLinux(東京電機大学の演習室PCのUbuntu)を用いる． 少なくとも基本的なシェルコマンド（ファイル操作など）を学習していることを前提とする．
また，プログラミング言語はC言語(コンパイラはgcc)を用いる．受講対象者は， C言語の機能(変数，制御構造，配列，構造体，共用体，ポインタ，etc…)に一通り触れたことのある者を前提とする．
実験用ディレクトリ
本実験用にディレクトリを用意し，そこで全ての作業を行うことを推奨する．例えば各自のホームディレクトリ直下に RayTracingという名前のディレクトリを用意する．
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1にその様子を示す．
図1. 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2)．
- 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2. 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3)．
- 視点の位置を決める
- スクリーン上の各点(x,y)について以下の処理を行う．
- 視点から点(x,y)に向かってレイを飛ばす．
- そのレイと交差する物体がないか調べる．
- (図3a) 交差する物体がない場合，次の点を処理する．
- (図3b) 物体の交点と光源の間に他の物体がないならば，シェーディングの処理を行う．
- (図3c) 物体の交点と光源の間に他の物体があるならば，影として扱う．
- スクリーン上の点(x,y)における色を決定する．
図3. 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．
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