为什么我的光线追踪器计算阴影和反射时会丢失细节？

Question

我正在构建一个光线追踪器，可以正确地渲染球体的漫反射和镜面反射部分。然而，在计算阴影和反射时，我得到了一个非常像素化的结果，如下图所示： 我可以看到阴影投射在正确位置，如果你放大缩小也可以看到反射，但同样会出现像素化。我会调用这个方法来确定像素是否处于阴影中，并且我的反射光线方法也会递归地调用它来确定反射颜色。

    RGBColour Scene::illumination(Ray incidentRay, Shape *closestShape, RGBColour shapeColour, Ray ray)
{
    RGBColour diffuseLight = _backgroundColour;
    RGBColour specularLight = _backgroundColour;
    double projectionNormalToSource = 0.0;

    for (int i = 0; i < _lightSources.size(); i++)
    {
        Ray shadowRay(incidentRay.Direction(), (_lightSources.at(i).GetPosition() - incidentRay.Direction()).UnitVector());

        Vector surfaceNormal = closestShape->SurfaceNormal(incidentRay);

        //lambertian shading.
        projectionNormalToSource = surfaceNormal.ScalarProduct(shadowRay.Direction());

        if (projectionNormalToSource > 0)
        {
            bool isShadow = false;

            std::vector<double> shadowIntersections;

            Ray temp(incidentRay.Direction(), (_lightSources.at(i).GetPosition() - incidentRay.Direction()));
            for (int j = 0; j < _sceneObjects.size(); j++)
            {
                shadowIntersections.push_back(_sceneObjects.at(j)->Intersection(temp));
            }

            //Test each point to see if it is in shadow.
            for (int j = 0; j < shadowIntersections.size(); j++)
            {
                if (shadowIntersections.at(j) != -1)
                {
                    if (shadowIntersections.at(j) > _epsilon && shadowIntersections.at(j) <= temp.Direction().Magnitude() && closestShape != _sceneObjects.at(j))
                    {
                        isShadow = true;
                    }
                    break;
                }
            }

            if (!isShadow)
            {
                diffuseLight = diffuseLight + (closestShape->Colour() * projectionNormalToSource * closestShape->DiffuseCoefficient() * _lightSources.at(i).DiffuseIntensity());
                specularLight = specularLight + specularReflection(_lightSources.at(i), projectionNormalToSource, closestShape, incidentRay, temp, ray);
            }
        }
    }
    return diffuseLight + specularLight;
}

除了这些方面之外，我能够正确地呈现出球体，所以我相信问题必须在这个特定的方法中，因此我没有发布其他方法。我认为正在发生的是，在像素值保留其初始颜色而不被着色的情况下，我一定会错误地计算非常小的值，或者另一个选项是计算出的射线没有交点，但是我认为后者选项无效，否则相同的交点方法将在程序的其他位置返回错误结果，但是球体可以正确呈现（除了阴影和反射）。

通常是什么原因导致这样的结果？您能否发现我的方法中有明显的逻辑错误？

编辑：我已经将我的光源移至前方，现在我可以看到绿色球的阴影似乎已经正确投射，而蓝色球变得像素化。因此，我认为在任何后续形状迭代中，某些内容必须没有正确更新。

编辑2：第一个问题已经解决，阴影现在不再有像素化问题，解决方法是将break语句移到直接前面的if语句中。目前仍存在反射像素化的问题。

- Aesir

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临时变量和阴影光线有什么区别？计算交点时，光线的方向是否已经归一化？如果没有，我会再次检查shadowIntersections.at(j) <= temp.Direction().Magnitude()。这是我之前实现阴影的方式。此链接是我之前的代码。 - CantTouchDis

还有一件事：我认为break应该在if语句内部。但是我仍然不确定你的shadowRay是做什么的。它是从光线到交点的射线吗？ - CantTouchDis

好的，我会先整理一下，让它成为一个更有帮助的答案。 - Aesir

解决方案是过采样，通常需要8倍甚至16倍才能产生足够的结果。您需要以更高的分辨率渲染它们，以避免细节丢失。 - dtech

@cmaster - 在计算光线追踪时进行过采样，而不是全部。哑光反射/折射可能需要更多的才能看起来好。 - dtech

Answer 1

像这样的像素化可能是由于数值不稳定性引起的。例如：假设您计算了一个位于曲面上的交点。然后，您将该点用作射线（例如阴影射线）的起点。您会认为射线不会与曲面相交，但在实践中有时确实会发生。您可以通过丢弃这些自交来检查此问题，但如果您决定实现凹形状，则可能会导致问题。另一种方法是沿着其方向向量将生成的射线的起点移动一些无限小的量，以便不会发生不必要的自交。

- Daniel A. Thompson