Ray Tracing

1. Ray Tracing Ismael Andrade Pimentel

2. Objetivo do trabalho Apresentar técnicas para diminuir a complexidade do algoritmo (tempo de execução) sem perda de qualidade visual.

3. Definição • Ray tracing é um algoritmo de computação gráfica usado para síntese (renderização) de imagens tridimensionais. • O método utilizado pelo algoritmo, baseia-se na simulação do trajeto que os raios de luz percorreriam no mundo real, mas, neste caso, de trás para a frente. Ou seja, no mundo real, os raios de luz são emitidos a partir de uma fonte de luz, percorrendo o espaço até encontrar um objeto. Após os raios de luz atingirem o objeto, estes são retratados ou refletidos, de acordo com as características do objeto, nomeadamente, cor, textura e transparência, alterando assim a sua trajetória, e fazendo com que apenas uma infinitésima minoria dos raios que partiram da fonte de luz atinjam, por fim, os olhos do observador.

4. Definição Continuação • O algoritmo ray tracing é um algoritmo recursivo que consiste em projetar, a partir do observador, um vetor (raio) por cada um dos pixeis constituintes da nossa cena/imagem, vetor este que irá intersectar os objetos que formam a cena em análise. As intersecções a que estão sujeitos cada um dos vetores projetados tem que ser confirmadas para todos os objetos que compõe a imagem a fim de determinar qual o que está mais próximo do observador.

5. Algoritmo • Para cada pixel da tela • Lance uma raio; • Para cada objeto da cena Calcule a interseção do raio com este o objeto; Armazene a interseção mais próxima; Se o raio interceptou algum objeto Calcule a contribuição das luzes neste ponto; Pinte o pixel com esta cor;

6. Interseção • O algoritmo de Ray Tracing gasta entre 75% e 95% de seu tempo determinando as interseções com os objetos, por isso, a eficiência da rotina de interseção raio-objetos afeta significativamente a eficiência do algoritmo. Os objetos da cena a ser visualizada são descritos sob a forma de estruturas de dados.

7. Soluções • Volumes envolventes (esferas, caixas,....) • Divisão espacial ( octree, bsp, grid uniforme....) • OBB-Tree

8. Sólidos Limitantes ( Bounding Volumes ) • Para evitar estas interseções desnecessárias, fazemos a interseção do raio com um sólido limitante, antes de interceptá-lo com a superfície do objeto. Este sólido limitante geralmente é uma esfera (bounding sphere) ou um bloco (bounding box). A idéia é simples: se o raio não intercepta o sólido limitante do objeto, então este raio não interceptará o objeto e, então, deve ser descartado. Assim, eliminamos as interseções desnecessárias. O uso de sólidos limitantes pode aumentar em até 40% a velocidade de renderização das cenas.

9. Octree • A Octree é uma estrutura de dados tipo arvore onde cada nó inteiro (que não seja folha) possui uma interligação com no máximo oito filhos, esta interligação se faz normalmente por meio de ponteiros. Cada nó da octree representa um cubo. A representação se dá pela subdivisão recursiva do espaço cúbico em octantes (ou voxels), com cada voxel de dimensão , sendo subdividido em oito voxels com dimensões.

10. Referências Bibliográficas • [Rogers85] - Rogers, D.F., “Procedural Elements For Computer Graphics”, McGRAWHILL, • 1985. • [Roth82] - Roth, S. D., “Ray Casting for Modeling Solids”, Computer Graphics and • Image Processing, 18, 109-144 (1982). • [Kay79] - Kay, Douglas S., “Transparency, Refraction and Ray Tracing for Computer • Synthesized Images”, Master Thesis, Program of Computer Graphics, Cornell • University, Jan 1979.