Ray Tracing Flashcards
(19 cards)
Was ist Ray Tracing?
Ray Tracing ist eine Technik zur strahlbasierten Bildsynthese, bei der Lichtstrahlen rückwärts von der Kamera durch jedes Pixel in eine Szene verfolgt werden. Dadurch werden realistische Beleuchtungseffekte, Schatten, Reflexionen und Brechungen simuliert.
Was sind die Hauptunterschiede zwischen Ray Tracing und Rasterisierung?
- Rasterisierung: Starte bei Dreiecken und projiziere sie auf den Bildschirm.
- Ray Tracing: Starte bei jedem Pixel und verfolge Strahlen durch die Szene.
Welche globalen Beleuchtungseffekte kann Ray Tracing berechnen?
✅ Schatten & Halbschatten
✅ Spiegelungen & Reflexionen
✅ Lichtbrechungen & Transparenz
✅ Indirekte Beleuchtung (z. B. Farbübertragung von Objekten)
Was beschreibt die Rendering-Gleichung?
Die Rendering-Gleichung beschreibt alle möglichen Lichttransportwege in einer Szene und ist die Grundlage für realistische Computergrafik.
Warnung:
Die Gleichung kann nicht analytisch gelöst werden → Ray Tracing nutzt Approximationen.
Wie funktioniert der klassische Ray Tracing Algorithmus?
- Primärstrahlen werden von der Kamera durch jedes Pixel in die Szene geschickt.
- Objektschnittberechnung: Der nächstgelegene Punkt 𝑃 wird bestimmt.
- Schattenstrahlen werden von 𝑃 zur Lichtquelle geschickt. Falls ein Hindernis dazwischen liegt, ist 𝑃 im Schatten.
- Reflexionsstrahlen werden von 𝑃 in die Reflexionsrichtung gesendet (bei glänzenden Oberflächen).
- Brechungsstrahlen durchdringen das Objekt, falls es transparent ist.
- Farbberechnung erfolgt durch Kombination aller Effekte.
Welche Probleme hat der klassische Ray Tracing Algorithmus?
❌ Sehr rechenintensiv
❌ Ohne Optimierungen sehr langsam
❌ Hoher Speicherverbrauch
Wie wird ein Reflexionsstrahl berechnet?
r= d-2(dn)*n
d = Einfallsvektor.
n = Normalenvektor.
r = Reflexionsstrahl
Wie wird ein Brechungsstrahl berechnet?
n_1*sin(𝜃_1) = n_2 * sin(𝜃_2)
n_1,n_2= Brechungsindizes.
𝜃_1,𝜃_2 = Einfalls- und Brechungswinkel.
Warnung:
Bei Totalreflexion tritt kein Brechungsstrahl aus.
Was ist Distribution Ray Tracing?
Erweiterung von Ray Tracing, bei der mehrere Strahlen pro Pixel verwendet werden, um Effekte wie weiche Schatten, Anti-Aliasing und Bewegungsunschärfe zu erzeugen.
Welche Vorteile hat Distribution Ray Tracing?
✅ Realistischere Schatten (weiche Schatten statt harter Kanten).
✅ Reduziert Aliasing durch mehrere Abtastpunkte pro Pixel.
✅ Erzeugt Tiefenunschärfe, indem verschiedene Fokusbereiche simuliert werden.
Was ist Path Tracing?
Path Tracing verfolgt nicht nur einen einzigen Reflexionsstrahl, sondern alle möglichen Lichtpfade durch zufällige Streuung
Warum ist Path Tracing besonders realistisch?
✅ Simuliert indirekte Beleuchtung perfekt.
✅ Löst die Rendering-Gleichung asymptotisch durch Monte-Carlo-Sampling.
Was ist der größte Nachteil von Path Tracing?
❌ Sehr langsame Konvergenz – Benötigt viele Samples für ein rauschfreies Bild.
Was ist Photon Mapping?
Ein zweistufiger Algorithmus, der Lichtstrahlen von den Lichtquellen in die Szene sendet und die Photonen speichert, um sie später für die Beleuchtungsberechnung zu nutzen.
Welche Vorteile hat Photon Mapping?
✅ Erzeugt weiche Kaustiken (Lichtfokussierungen auf diffusen Oberflächen).
✅ Effizientere Berechnung als reines Path Tracing.
Warum sind Optimierungen bei Ray Tracing wichtig?
Ray Tracing ist sehr langsam, da für jedes Pixel viele Strahlen verfolgt werden müssen. Ohne Optimierungen ist es nicht in Echtzeit nutzbar.
Welche Optimierungen gibt es?
✅ Bounding Volume Hierarchies (BVH): Organisiert Objekte in hierarchischen Bounding Boxes, um die Anzahl der Schnittprüfungen zu reduzieren.
✅ KD-Bäume: Teilt den Raum in adaptive Unterbereiche, um Strahlen effizient zu verarbeiten.
✅ Early Ray Termination: Beendet Strahlenberechnung frühzeitig, wenn keine signifikante Farbänderung mehr erwartet wird.
Was sind die wichtigsten Komponenten des Ray Tracing Algorithmus?
- Primärstrahlen – Schießen Strahlen durch jedes Pixel.
- Schattenstrahlen – Prüfen, ob ein Punkt beleuchtet wird.
- Reflexionsstrahlen – Berechnen Spiegelungen.
- Brechungsstrahlen – Berechnen transparente Objekte.
- Indirekte Beleuchtung – Berechnet diffuse Lichtstreuung.
Warum sind moderne GPUs für Ray Tracing wichtig?
- RTX-Karten (NVIDIA) haben spezialisierte Ray-Tracing-Kerne.
- Echtzeit-Ray Tracing ist dadurch erstmals möglich.
