Ray Tracing Gems 1장 Shader Study 발표 개인자료 https://link.springer.com/book/10.1007/978-1-4842-4427-2

1. Ray Tracing Terminology
Eric Haines and Peter Shirley
NVIDIA

2. Ray Tracing
• 1980년 Turner Whitted가 발표한 기법
• 현실 세계에서, 모든 시각적 효과에는 빛이 관여
• 광원에서 방출한 빛이 물체에서 반사, 굴절, 산란되는 특성
• 최대한 비슷하게 모방
• Ray와 Object의 교차점(intersection point)에서 계산된 shading은 이 표면
에서 발생한 반사광에 비친 또 다른 표면의 shading에도 영향을 미치는 것
• 이미지의 픽셀마다 통과하는 빛 (광선Ray)이 있다고 가정하고 그 빛(광선)
을 역추적(Trace)하는 방식

4. 역사
• 1968년에 Appel은 광선을 사용하여 이미지를 렌더링
• 1979년 Whitted과 Kay와 Greenberg는 정확한 굴절과 반사를 묘사
하기 위해 재귀 광선 추적을 개발(recursive ray tracing)
• 1982년, Roth은 국부적인 설치뿐만 아니라 광선을 따라 내부/외부
간격 목록을 사용하여 CSG 모델의 렌더링(및 볼륨 추정치)을 작성
• 1984년 쿡 외 연구진 distributed or distribution ray tracing.
• 분포 광선 추적 stochastic ray tracing(확률적 광선 추적)
• 필드의 깊이, 퍼지 반사, 부드러운 그림자와 같은 효과를 포착하기 위한 무작
위 샘플링의 핵심 통찰은 거의 모든 현대의 광선 추적기에 사용
• 1986년 카지야(Kajiya)
• 경로 추적(path tracing), 몬테 카를로 접근법을 포함한 다양한 해결책을 시도
• 1990년대에 Bidirectional, path-based 방법

5. Ray Tracing(단어표준화)
• 광선을 따라 이동하는 빛의 근본적인 양은 SI 단위
• 표준화 스펙트럼 방사도 spectral radiance
• 예전에는 "강도(intensity)" 또는 "밝기(brightness)”
• 현재 거의 모든 ray tracers는 Monte Carlo 사용
• ray tracers are recursive and Monte Carlo
• recursive Monte Carlo
• 재귀 몬테카를로 이렇게 애기하지는 않음

7. Ray Tracing
• 빛은 어떠한 사물에 닿았을 때, 반사가 됨
• 정반사, 난반사
• 빛이 어느 정도의 강도로 반사되느냐를 결정하는 것
• 정반사 : 빛은 사물의 질감을 표현
• 난반사 : 사물의 색을 표현

8. Ray Tracing
• 현실 세계에서, 모든 시각적 효과에는
빛이 관여한다. 그래픽 광원에서 방출
한 빛이 물체에서 반사하고, 굴절하
고, 산란되는 특성을 최대한 비슷하게
모방하는 것
• Rasterization
• Texture Mapping으로 하는 여러 가
지 advanced effect들을 구현
• Ray Tracing
• secondary ray를 이용하여 추가적인 빛
을 casting함으로써 비교적 자연스럽게
구현
https://blog.naver.com/skkim12345/221351312903

9. Ray tracing
• 카메라에서 3개의 광선 이동
• 녹색 : 박스에 직접 닿는다.
• 보라색 : 거울에 부딪히며 반사되어 상자
의 뒷면으로 감
• 파란색 : 유리 구술에 부딪혀 반사 및 굴
절 산란
• 굴절은 2개의 광선을 더 생성하며, 1개는 2
개의 광선을 더 산란

10. Ray Tracking
• 반사 및 굴절 물체에서 빛의 기여를 재귀적으로 수집하기 위해
ray casting(광선 주조)방법을 사용
• 거울과 마주쳤을 때, 반사 방향의 거울의 적중점을 ray cast
• 반사 광선이 교차하는 것은 거울의 마지막 음영에 영향을 줌
• 투명하거나 유리는 반사광과 굴절광선을 생성
• 이 과정은 반복적으로 발생하며, 각각의 새로운 광선은 잠재적으로 추
가적인 반사 및 굴절광선을 산란
• reflection and refraction rays.
• 재귀는 보통 최대 튕김 수와 같이 어느 정도의 컷오프 한도가
주어짐

11. Ray Tracking
• 고전적인 ray tracing(광선추적)에서 표면은 완벽하게 반짝이고
매끄러운 것으로 처리
• 광원은 방향 또는 최소 점으로 표현
• Cook 또는 stochastic ray tracing(확률적 광선 추적)에서는, 광
선 트리의 노드에서 더 많은 광선을 방출하여 다양한 효과를 낼
수 있다
• 예 : 점원(point) 대신 구형(spherical) 빛을 상상해보라.
• 표면은 이제 부분적으로 조명될 수 있기 때문에, 대략 얼마나 많은 조명이 도달하
는지 대략적으로 보기 위해 구의 다른 위치를 향해 수많은 광선을 발사할 수 있
다.

12. Ray Tracking
• 영역 빛 가시성을 통합할 때
• 완전히 그늘진 지점은 umbra
• 부분적으로 불이 켜진 지점은 penumbra
• Umbra
• 본그림자(빛을 전혀 받지 못해 아주 깜깜하게 나타나는 그림자)
• Penumbra
• 반그늘, 반그림자

13. Ray Tracking
• 반사 방향을 중심으로 원뿔 모양으로 수많은 광선을 쏘아 그 결
과를 혼합함
• 거울에 비친 반사(mirrored reflections) 대신 광택(glossy)를 얻게 된다
• 샘플을 분산(spreading samples)을 이용
• translucency, depth of field, and motion blur effects 사용
• 왼쪽: 한방향 반사
• 중간: 금속같은 표면은 근처의 빛을 반사하고 광택이 난다.
• 오른쪽 : 무광일때는 들어오는 빛은 사방으로 흩어진다.

14. Ray Tracking
• Recursive ray tracing(재귀 적 레이 트레이싱)
• 물리적 프로세스를 뒤집어서, 우리가 이미지에 영향을 줄 것으로 알고
있는 방향으로 눈에서 광선을 생성
• Kajiya-style or path tracing
• 장면의 matte surfaces(무광)을 반사하여 실제 세계의 모든 빛 경로를
허용
• 경로는 카메라에서 시작하여 빛으로 끝나는 일련의 빛과 물체의 상호
작용을 나타냄
• 각 표면 교차 위치는 그 표면의 반사 특성과 결합 된 주변의 모
든 방향에서 빛의 기여도를 평가해야합니다.
• 눈의 시각에서 이러한 효과를 재귀 적으로 합산함으로써 빛이 발생할
때만 종료되며, 사실에 기반한 이미지가 형성 될 수 있습니다.

15. Ray Tracking
• Monte Carlo (MC) algorithm.
• 예) Cook-style and Kajiya-style
• 모두 일부 공간에 대해 다양한 확률 밀도 함수(probability density func
tions : PDF)를 이용
• Cook-style ray tracer
• 렌즈 영역에 PDF가 포함될 수 있습니다.
• path-based
• PDF는 경로 공간이라고 불리는 경로를 통해 전달됩니다.
• 오류를 줄이기 위해 샘플링 PDF를 비 균일하게 만드는 것이 중요함
• QMC (Quasi-Monte Carlo)
• 기존의 의사 난수 생성기가 아닌 수 이론적 방법으로 샘플의 불일치 패턴을 사용
하여 무작위 샘플을 생성하는 것

16. energy-balanced equation(랜더링방정식)
• P : 위치 지점
• Lo : 방향 ωo에서 점 P에서 표면을 떠나는 빛(radiance)
• f : 양방향 반사율 분포 함수 (BRDF)
• 일반적으로 fr 또는 ρ로 표시
• Li : 방향 ωi에 따른 입사광
• θi : 표면 법선과 입사광 방향 사이의 각도
• | cosθi | : 각도로 인한 기하학적 강하(감소,급경사(?))

17. ray marching
• 레이의 방향을 따라 샘플링하여 일정
간격으로 레이를 따라 전진하는 과정
• 특정 표면이없는 볼륨 렌더링에 사용
• Hart의 sphere tracing algorithm
• 표면을 탐색할 때 레이를 따라 점을 샘
플링하여 암시적 거리 또는 내부/외부
테스트에 의해 정의된 표면을 교차하는
과정을 설명하는 데에도 사용
• sphere casting -> sphere tracing

18. 끝~