前言：尋找寫作靈感？中文期刊網用心挑選的實時光線追蹤技術在展示設計中應用，希望能為您的閱讀和創作帶來靈感，歡迎大家閱讀并分享。
摘要：通過對實時光線追蹤技術及展示空間設計光影技術要求的分析，結合展示設計的特點，研究基于UE4的實時光線追蹤技術在中展示設計中的作用，有效的在展示設計中引入UE4的實時光線追蹤技術，探索空間環境設計光影表現，把握虛擬現實場景設計中的光影效果。
關鍵詞：UE4；光線追蹤；展示設計
1簡介
隨著人類社會政治、經濟的不斷發展，商品在進行交易的過程中，已經不再只是簡單的買賣過程，交易過程中買賣雙方更加注重于對商品的有效介紹和了解，從而逐漸形成了以商品展示為主題的各種展示活動，通過展示來解釋展品宣傳主題，并使買賣雙方能參與其中，達到完美溝通的目的，從而派生了以商品展示為主題的空間設計，而對展示空間的創作過程，就是所謂的展示設計。它是在既定的時間和空間范圍內，運用藝術設計語言，通過對空間與平面的精心創造，使其產生獨特的空間范圍，一方面吸引觀眾進行參觀，另一方面讓觀眾能快速的對商品進行更全面細致的了解。展示設計的效果通過渲染進行表現，特別隨著VR技術的不斷完善和普及，人們可以通過信息技術手段在網上進行展示空間參觀，從而對展示設計效果提出了更高的要求，為了滿足人們在虛擬現實中能得到更加接近真實環境的參觀體驗，設計渲染對實時的光影效果有更高的要求。與傳統的掃描線或光柵化渲染方式不同，光線追蹤渲染技術是三維計算機圖形學中的特殊渲染算法，通過跟蹤從攝像機發出的光線而不是光源發出的光線，生成編排好的場景的數學模型顯現出來。
2光線追蹤技術
光線追蹤技術是一種模擬人類眼睛接收光信息，在視網膜形成圖像的過程，根據統計人類的眼睛接收到的光照信息是有限的，正常情況下人的眼睛接收到像素在5億左右，也就是說視網膜的圖像信息可以分拆成5億條非常微小的光線，然后以相反的方式去逆向追蹤這些，并檢測出這些光線所對應到的場景物體的信息。光線追蹤技術就是基于這個物理原理衍生出來，在生成計算機圖像過程中，將眼睛模擬抽象成場景中的攝像機，視網膜模擬抽象成顯示屏幕或膠片，發出來5億個光線簡化成膠片像素，從攝像機位置與膠片的每個像素連成一條射線，去追蹤這些射線與場景物體交點的光照信息。首先把攝像機的膠片進行細分成網格，就像是屏幕的像素點，目標是用來確定每一個像素點光照信息。對于每一個像素，從攝像機位置發出并追蹤這一條光線，指向該像素點。接下來通過對這束光線進行追蹤，判斷其是否和場景中的物體相交。如果相交，則計算物體表面交點的顏色值。并把該點的顏色值記錄為該像素的顏色值。如果不相交，則直接將場景的背景色填充到當前像素中去，然后繼續處理下一個像素，不斷循環直到所有的像素點都跑得到相應的值，如圖1。
3像素的顏色值生成原理
像素的顏色值生成，每一個像素的顏色值生成根據物體表面性質和不同類型光線計算得出，用來確定交點的信息，作為當前像素點的顏色值。
3.1陰影。陰影的確定(圖2)，首先檢查每個光源在該交點的貢獻值。再從該點出發追蹤一條指向光源，該光線主要是用來確定交點是被光源全部照亮、部分照亮還是沒有被照亮，如果這條光線在到達光源之前不相交于任何物體，則這個光源對該交點有貢獻值；否則，該交點位于該光源的陰影處。
3.2反射。在具有反射性質的物體表面（圖3），當光線到過物體表面就會產生反射，這時需要先計算初始光線的反射光線，然后追蹤這條反射光線，這樣在交點處就會有部分光將會被反射出去，繼續在場景中前進。根據Snell定律，一條新的光線將會從交點發出，在場景中繼續傳播。
3.3折射。當光線到達具有折射性質并且部分透明的物體表面時（圖4），光線在物體的內部會產生折射，那么需要計算初始光線的折射光線，折射光線會從物體的另一個交點射出，然后追蹤這條折射光線，部分光線將會進入物體繼續傳播。根據Snell定律，一條新的光線將會從交點發出進入物體。
4基于PBRT光線追蹤
光線追蹤算法是把視點作為起點，向場景發射光線，然后根據光線與物體表面的交點的材質進行BXDF、BRDF的運算，在交點為處是否存在漫反射、鏡面反射或者折射，如此遞歸循環直到光線逃離場景或者到達最大反射次數。PBRT基于光線追蹤技術，因而定義一條射線與場景中的對象進行相交測試：classRay{Point3fo;Vector3fd;}PBRT使用Ray表示一條射線，起始點o，方向d。在三維空間中使用的透視投影，起始點位于攝像機原點（0,0,0），方向指向像素點。射線與場景中的幾何物體進行相交測試，相交信息保存在SurfaceInteraction：classSurfaceInteraction{Point3fp;Normal3fn;Point2fuv;constShape*shape=nullptr;}保存了相交點坐標p,法向量n，uv坐標，以及相交對象的指針shape。如果對象是二次曲面，如：球面，相交點的坐標可以用球面坐標(θ,φ)(θ∈[0,π],φ∈[0,2π])來表示，該坐標又可以轉化為0到1范圍內的(u,v)坐標：u=φ/2π，v=θ/π。如果對象是三角面，那么這時的uv坐標由建模工具提供，uv坐標由定義在三角形三個頂點的值插值得到。相交點的幾何法向量由相交位置p關于uv坐標的兩個偏導數的叉積得到。通過PBRT得到每一個相交信息，接下來確定該相交點著色，根據交點與場景中的光源進行相交情況，判斷交點是否處于光照下，由反射模型（BRDF、BTDF和BSSRDF，以下簡稱為BxDF）確定反射多少光，PBRT的材質確定表面使用哪些反射模型，紋理則提供表面的外觀屬性。最終，沿著原始射線的相反方向返回到攝像機的光，如果光在傳播過程被場景中的其它因素吸收或增強，這個過程則由體積散射處理。
5UE4光線追蹤應用
UE4從4.22版本開始支持使用Windows10RS5更新光線追蹤和路徑追蹤的功能。此功能能夠完全利用NVIDIARTX系列顯卡的DirectX12和DirectX光線追蹤。光線追蹤功能由一系列的光線追蹤著色器和光線追蹤效果組成。借助這些功能可以實時構建自然而真實的光照效果。前期設置：打開項目設置（編輯-項目設置）界面。找到項目設置的平臺-窗口頁，把DefaultRHI選成DirectX12，如圖5。再找到渲染頁Rendering，勾選光線追蹤（Raytracing）。勾選光線追蹤之后，編輯器會提示是否重啟，點擊是即可，如圖6。然后在啟動UE工程時附加-d3d12標記，即可直接啟用DX12模式渲染。重啟完編輯器，等待著色器全部編譯完成，便可以往設定環境添加后處理體積，這樣可以方便啟用光線追蹤的相關特性，調節各類參數及其影響范圍。如：光線追蹤的陰影，可模擬在多光源的情況下空間環境中過渡性軟陰影、區域陰影、模型的自陰影、復雜的遮擋陰影等；光線追蹤的反射，則可實時動態反射場景的任意物體，完全不受平面反射、立方體圖等的限制，使到所渲染的結畫面更加真實，融入場景內；光線追蹤的透明可以精確地模擬玻璃、流體等材質的物理正確的反射、吸收、折射等表面特性。
6結論
光線追蹤技術可以精確地反映復雜的反射、折射、透射、陰影等物理特性，而傳統的展示設計在三維設計軟件中的設計制作出來的效果圖與真實環境有較大的不同。通過引入基于UE4的實時光線追蹤技術在展示設計中的應用，豐富、增強圖像光影效果等優點。借助UE4引擎圖像處理技術，圖像的真實感得到很大的提高，滿足不同環境下光影效果的表現，但該技術還存在一些缺陷，需要進一步改進，使其應用和推廣價值得到進一步提高。
作者:趙偉明 單位:私立華聯學院