使用位移贴图对球体进行光线追踪

Question

我有兴趣构建一个简单的“Google Earth”类型的应用程序（用于覆盖我自己的信息，而不是Google拥有的大量数据）。我希望它只是一个简单的 X11 应用程序，用位移（地形）信息对球体进行光线追踪。光线球体相交非常简单，但是当将显示映射放入其中时，我的头脑开始变得混乱。

我想知道是否有一种简单的技术来扩展基本的射线球体相交以包括位移数据......

Answer 1

我知道距离第一篇文章已经过去 12 年了，但我已经在这里上传了这个问题的完整解决方案：
https://github.com/ramakarl/just_math

请参阅 math_displace_sphere 的示例。此光线追踪任意细节的位移球体地形，无需任何网格。纯CPU代码，可以移植到着色器/GPU。麻省理工学院许可。

解决方案是沿着射线行进，同时将射线样本点投影回经纬度，并对地形纹理进行采样以确定该样本处的位移高度。高度是相对于球体中心指定的。

伪代码：

for ( ; ray_hgt >= terrain_hgt && ray_hgt <= shell_hgt; ) { 

        sample += ray_dir * dt; 

        ray_hgt = (sample - sphere_center).Length();

        // given sample, compute surface_pnt and lat, long
        ComputeSphereUV ( sample, surface_pnt, lat, long ); 
                
        pixel_val = terrain_map->GetPixelUV ( lat, long ).x;                                    

        terrain_hgt = sphere_radius + pixel_val * terrain_depth;    
}

Answer 2

位移贴图非常简单——只需对球体进行细分，根据从贴图采样的高度向顶点位置添加偏移，并对所有部分进行光线追踪。

相机距球体/地球有多远？如果你就在表面附近，可能根本不值得制作一个完整的“球体”，只需制作一个“高度场”即可。如果您距离很远（一次查看整个星球），那么即使是最高的山脉也不应该明显地取代表面，因此您应该使用简单的凹凸贴图。还可以考虑使用组合——真正位移的粗细分，以及残余高度差上的凹凸贴图。

但无论如何，我无法想象你为什么要进行光线追踪，正如你所描述的问题一样。只需将其切成三角形并使用 OpenGL 即可。您可能不需要任何光线追踪效果。

Answer 3

我找到了这篇论文： http://www.cgl.uwaterloo.ca/~ ecdfourq/GI2008/FourquetGI2008.pdf

我想分享一下，因为它似乎完全涵盖了我想做的事情，谢谢大家！

Answer 4

好吧，无论您是否有一个简单的 20，光线追踪过程都是相同的- 多边形球体或复杂的位移 2k 多边形球体。无论场景包含什么，光线都会穿过场景。但它用于实现视觉效果，如透明度、反射、折射等，从你在问题中所说的来看，我认为你可以在你的项目中没有这些效果。您很可能可以在这里使用简单的低成本光线投射。

因此，一旦渲染引擎就位，您就可以将所需的所有位移添加到场景中。修改几何体的两种最常见的方式是：

1. 凹凸贴图和
2. 置换贴图

置换贴图将真实的多边形添加到现有几何体中，而凹凸贴图仅通过弯曲表面法线来模拟视觉效果从而影响物体的阴影。虽然弯曲法线比镶嵌几何体和添加新多边形要快得多且成本低得多，但它不会产生精确的阴影结果，因此如果它与您的应用程序有任何关系，请注意这一点。

另外，请考虑使用自适应详细级别算法和数据结构，因为距离几何体越远，它需要的细节就越少。