总结《Ray Tracing from the Ground Up》

之前已经学习过《Ray Tracing in One Weekend》和《An Introduction to Ray Tracing》的一些内容，相关总结文档链接如下：
总结《Ray Tracing in One Weekend》
总结《An Introduction to Ray Tracing》

已经在《Ray Tracing in One Weekend》的源代码的基础上，拓展生成各种surface的图形。但是，这些图形中尚未添加合适的光照模型、反射模型、纹理等等。咱学习《Ray Tracing from the Ground Up》的主要目的是：给图形添加光照模型、反射模型和纹理。

《Ray Tracing from the Ground Up》的官网链接：http://www.raytracegroundup.com/

先说说，个人对这本书的看法：
1，这是本好书；
2，提供了较为完整的源代码；（整体代码的完整度并没有覆盖所有章节，后面几章的代码需要逐一手动porting到软件中。）
3，本书的源代码架构要显得比《Ray Tracing in One Weekend》“高级”点，毕竟《Ray Tracing in One Weekend》提供的简易入门版本。“简易”有简易的好处，不会一上来就是云里雾里的一大通理论，不会让读者在云里雾里找不到北。所以，个人《Ray Tracing in One Weekend》时入门的不二之选。
4，虽然，本书有详细的理论介绍，但是也不是很难懂。作者对理论的讲解深度应该算是恰到好处。不是想《Ray Tracing in One Weekend》那样简浅，也不是《Physically Based Rendering_From Theory To Implementation》那样深入。所以，这本书也算是比较好读的。
5，本书出版于2007年，内容基本覆盖当时Ray Tracing的各个方面。当然，按照作者自己的说法：受篇幅的限制，纹理部分有几处内容未包含进来。

咱读这本书的目的是光照模型、反射模型、纹理。所以，前文的其他内容会跳过，直接从反射模型开始（差不多是从第14章开始）。当然，在真正开始前，咱得将官网的源代码在本地跑起来。咱用的是Windows+Codeblocks。软件移植链接：
问题六十八： 着色模型（shading model）（0）——《Ray Tracing from the Ground Up》代码的移植

原文目录
1 Design and Programming
2 Some Essential Mathematics
3 Bare-Bones Ray Tracing
4 Antialiasing
5 Sampling Techniques
6 Mapping Samples to a Disk
7 Mapping Samples to a Hemisphere
8 Perspective Viewing
9 A Practical Viewing System
10 Depth of Field
11 Non-Linear Projections
12 Stereoscopy
13 Theoretical Foundations

14 Lights and Materials

学习“反射模型”时，主要参考了本书第13、14章节和《An Introduction to Ray Tracing》、《Real-Time Rendering》相关章节的内容。总结文档链接：
问题六十八：着色模型（shading model）（1）——反射模型（reflection model）（1）——概述
问题六十八：着色模型（shading model）（1）——反射模型（reflection model）（2.1）——漫反射（diffuse reflection）
问题六十八：着色模型（shading model）（1）——反射模型（reflection model）（2.2）——高光反射（specular reflection）
问题六十八：着色模型（shading model）（1）——反射模型（reflection model）（3.1）——辐射学（Radiometry）
问题六十八：BRDF——(着色模型（shading model）（1）——反射模型（reflection model）（3.2））
问题六十八：Phong反射模型的C++实现
问题六十八：着色模型（shading model）（2）——光照模型（Light model）
问题六十八：光照模型（Light model）——关于“环境光”模型的补充

反射模型中的高光部分其实用到第15章（Specular reflection）的内容。

16 Shadow

阴影的原理是：从撞击点向光源引一条阴影光线，若该光线在达到光源前有撞击到其他物体，说明原撞击点在阴影之中。

问题六十九：阴影（Shadow）——原理和C++实现

17 Ambient Occlusion

环境光遮蔽的实现原理：对撞击点处的上半球面进行采样获得采样点，连接采样点和撞击点得到阴影光线，若该阴影光线撞击到其他物体，则说明撞击点处的环境光被其他物体遮蔽。

所以，在实现“环境光遮蔽”之前，我们需要先学习“采样”。
问题七十：计算机图形中的采样（Sampling）

问题七十一：环境光遮蔽（Ambient Occlusion）

18 Area Lights

在实现面积光源之前，我们需要先回忆13.10.2章节渲染方程的面积形式和13.11章节的蒙特卡罗积分。
Q72：渲染方程（Rendering Equation）
Q73：蒙特•卡罗积分（Monte Carlo Integration）

Q74：面积光源（Area Light）

Q75：光照模型汇总：环境光、平行光光源、点光源、面积光源

19 Ray-Objects Intersections

这一章节的内容，咱在《An Introduction to Ray Tracing》已经基本详细学习过了。

20 Affine Transformations

Q76：仿射变换（Affine Transformation）

21 Transforming Objects

Q77：怎么用Ray Tracing画仿射变换之后的图形

22 Regular Grids

“规则网格”是Ray Tracing中的一种加速技术。
Q78：规则网格（Regular Grids）——Ray Tracing中的一种加速技术

23 Triangle Meshes

“三角形网格”是个好东西。还记得在学习《An Introduction to Ray Tracing》的过程中画有些surface时，那是解各种一元四次、一元六次、一元十次方程。现在利用“三角形网格”，只要知道曲面的参数方程，画出对应的曲面是分分钟的事情（夸张了点）。

Q79：怎么用三角形网格（Triangle Mesh）细分曲面
Q80：平坦着色（Flat Shading）和平滑着色（Smooth Shading）——“Q79：怎么用三角形网格（Triangle Mesh）细分曲面”（补充）

Q97：怎么用三角形网格细分Bezier曲面——以Utah Teapot为例
Q98：三角形网格细分Bezier曲面时，注意三角形顶点的顺序（确保其对应的法向量向外）

Q100：怎么用三角形网格细分回旋体（rotational sweeping / revolution）

“细分”曲面的体力活在程序中临时来干，是不是有点费劲。好了，所以就有了PLY文件，这种文件就是曲面细分后的数据。然后，在程序中读入PLY文件即可。

市面上有些比较流行的PLY格式的图形，比如：bunny、dragon等等。但是，咱在Windows环境下直接导入这些PLY文件数据时，会遇到一个问题。所以，我们需要：
Unix/Mac系统下的文件在Windows里打开的话，所有文字会变成一行——怎么将Unix/Mac系统下的文件转换到Windows系统下

然后，就可以干正事啦。
Q81：“三角形网格”之“PLY文件”
Q82：三角形网格[Triangle Mesh]图形的平滑着色[Smooth Shading]
Q83：怎么画多个PLY文件组合的图形[Multiple-Mesh Objects]
Q84：层级实例网格[Hierarchical Instance Grids]

Q92：怎么对PLY文件对应的图形进行仿射变换

24 Mirror Reflection

前面咱用到的光照模型基本都是直接光照，即直接来自光源。至于间接光照，咱尚未涉及。比如，在镜中看到其他物体的像。这个像对应的物体并不是光源，为什么能被看到呢？
Q85：对比“直接光照”和“间接光照”的反射模型

本章的Mirror Reflection和下一章节的Glossy Reflection讲的都是间接光照。
Q86：镜面反射（Mirror Reflection）

25 Glossy Reflection

Q87：间接光照（Indirect Illumination）的高光反射（Glossy Reflcetion）

26 Global Illumination

在第24、25章节中，虽然已经涉及了间接光照。但是，这只是间接光照的两种特殊形式。还有其他非特殊情况的间接光照，咱尚未考虑。

这一章节涉及的Path Tracing技术，不分直接光照、间接光照，直接考虑所有光照（所有可能到达撞击点的光照）。这个可以算是基于物理的模型，而之前学过的模型只能算是基于经验的模型。
Q88：全局光照（Global Illumination）——Path Tracing
Q88：全局光照（Global Illumination）——Path Tracing算法生成反射焦散效果的图形

改进版：
Q89：全局光照（Global Illumination）——Path Tracing（只用于间接光照）

27 Simple Transparency

Q90：简易地模拟透明材质（Simple Transparency）

28 Realistic Transparency

Q91：真实地模拟透明材质（Realistic Transparency）

Q91：真实地模拟透明材质（Realistic Transparency）（2）——Triangle Meshes
Q93：PLY文件对应图形法向量反向问题——以bunny10K为例

Q94：怎么用ray tracing画部分圆环（Part Tori）
Q91：真实地模拟透明材质（Realistic Transparency）（3）——A Glass of Water
Q91：真实地模拟透明材质（Realistic Transparency）（4）——Fish Bowl

29 Texture Mapping

纹理分两大类：
1，映射纹理。本章节的内容，讲的是将外部图片映射到几何图形上。
2，过程纹理。过程纹理是根据撞击点的信息而在程序中计算得到的（而不是来自外部图片的映射）。过程纹理又分两类：

• 2.1普通的过程纹理。第30章的内容。主要讲的时方格纹理。
• 2.2基于噪声的过程纹理。第31章的内容。会讲到大理石纹理、砂岩纹理、木纹纹理。

Q95：纹理映射（Texture Mapping）——地球仪
Q95：纹理映射（Texture Mapping）（2）——圆柱面
Q95：纹理映射（Texture Mapping）（3）——Triangle Meshes

30 Procedural Textures

计算过程纹理时，会用到floor()函数。
C++中的floor()函数

Q96：过程纹理（Procedural Texture）（0）——概述
Q96：PT（1）：方格纹理（Checker）（1）——3D Checker
Q96：PT（1）：方格纹理（Checker）（2）——2D Checker
Q96：PT（1.2.2）：球面2D方格纹理（Sphere 2D Checker）
Q96：PT（1.2.3）：圆柱2D方格纹理（Cylinder 2D Checker）

另外，讲到纹理的仿射变换。
Q96：PT（2）：纹理的仿射变换（Textures And Transformations）

31 Noise-Based Textures

Q96：PT（3）：基于噪声的纹理（Noise-Based Textures）（0）——概述这里写链接内容
Q96：PT（3.1）：基本的基于噪声的纹理（Basic Noise-Based Textures）
Q96：PT（3.2）：包裹的基于噪声的纹理（Wrapped Noise-Based Textures）

Q96：PT（3.3）：大理石纹理（Marble Texture）

Q96：PT（3.4）：砂岩纹理（Sandstone Texture）

smoothstep()，平滑阶梯函数，平滑过渡函数
Q96：PT（3.5）：木纹纹理（Wood Texture）

接着，咱trace了几个图形：
Q99：当Bezier曲面（Utah Teapot）同时遇上“噪声纹理”和“Phong反射模型”
Q101：真实地模拟一个玻璃酒杯（Wine Glass）（回旋曲面）

32 光线追踪场景

这一章节是咱自己加的。咱trace了几个场景。

Q102：光线追踪场景（1）——地球仪
Q102：光线追踪场景（2）——PLYs（多种模型汇集）
Q102：光线追踪场景（3）——Two Horses
Q102：光线追踪场景（4）——面朝大海
Q102：光线追踪场景（5）——驭龙台