Q74：面积光源（Area Light）

74.1 理论推导

 

前面，我们已经学习了点光源。其实现实中所有的光源都是有一定大小的，所以点光源在严格意义上是不存在的。在严格意义上，所有的“点光源”都是“面积光源”。

 

一方面，由于面积光源自身有一定大小，所以能够像场景中的普通物体一样被看到；另一个方面，面积光源作为光源可以为场景中的其他物体提供入射光。如下图示意：

74.1.1 面积光源为其他物体提供入射光

 

我们重点看看面积光源是怎么为其他物体提供入射光的。

 

面积光源=几何物体+发光材料。

 

我们在“Q72：渲染方程（Rendering Equation）”章节学过渲染方程的面积形式：（重复贴图如下）

74.1.2 面积光源自身被看到

74.2 C++代码实现

 

我们先看看需要添加那些代码。

1，面积光源类AreaLight。由“式子4”，我们知道AreaLight类至少提供L、V、G三个参数。而L是由发光材料决定的，所以，还要新建一个发光材料类Emissive；V、G是由几何物体的采样点决定，所以还要新建一个几何物体类Rectangle。

2，发光材料类Emissive。一方面为了给AreaLight类提供光L，所以需要get_Le()成员方法；另一方面，由“式子5”为了让自身被看到，则需要shade()着色函数（发光物体的着色，一般直接返回“式子5”的值即可）。

3，几何物体类Rectangle。根据“式子4”，几何物体类需要提供采样点p’_j、采样点的采样概率p(p’_j)、几何物体在采样点处的法向量n’_j。为了提供采样点，则需要采样相关的成员方法set_sampler()、sample()等；为了提供采样点的采样概率，则需要成员方法pdf()；为了提供采样点处的法向量，则要成员方法get_normal()。

4，为了和其他光源进行区分，所有材料新建一个专门的着色函数area_light_shade()（相当与之前的shade()，只是area_light_shade()专门给面积光源用的）。

5，既然材料中新建了专门的着色函数area_light_shade()，所以需要新建一个Tracer来call这个专门的着色函数（之前的RayCast::trace_ray()方法call的还是之前的shade()）。这个新的Tracer被称为“AreaLighting”。

 

74.2.1发光材料类Emissive

 

74.2.2几何物体（Rectangle或者Sphere）

74.2.2.1 若面积光源对应的几何物体为Rectangle

 

74.2.2.2 若面积光源对应的几何物体为Sphere

 

74.2.3面积光源（AreaLight）

 

74.2.4被照射的材料（这里以Matte为例）

 

74.2.5新的Tracer（AreaLighting）

 

 

74.2.6 Wrold::build()中初始化面积光源

74.2.6.1若面积光源对应的几何物体为Rectangle

74.2.6.2若面积光源对应的几何物体为Sphere

 

 

74.3 测试图形

74.3.1 Rectangle面积光源

 

Rectangle长25、宽25、中心位置（0，-100，-40），单个像素点采样次数100，分辨率400*400

 

Rectangle长50、宽50、中心位置（0，-100，-40），单个像素点采样次数100，分辨率400*400

 

Rectangle长100、宽100、中心位置（0，-100，-40），单个像素点采样次数1，分辨率400*400

 

Rectangle长100、宽100、中心位置（0，-100，-40），单个像素点采样次数100，分辨率400*400

 

Rectangle长100、宽100、中心位置（0，-100，-40），单个像素点采样次数200，分辨率800*400

  

Rectangle长100、宽100、中心位置（0，-100，-40），单个像素点采样次数200，分辨率1200*400

 

74.3.2 Spherical面积光源

 

Sphere半径12.5、中心位置（0，-100，-40），单个像素点采样次数100，分辨率400*400

 

Sphere半径25、中心位置（0，-100，-40），单个像素点采样次数100，分辨率400*400

 

Sphere半径50、中心位置（0，-100，-40），单个像素点采样次数1，分辨率400*400

 

Sphere半径50、中心位置（0，-100，-40），单个像素点采样次数100，分辨率400*400

 

Sphere半径50、中心位置（0，-100，-40），单个像素点采样次数200，分辨率800*400

 

明显球面光源的噪声比矩形光源要多。是因为球面采样的是整个球面，而被照射的物体每次只能看到半个球面；而矩形光源中，时刻看到的都是整个矩形面。

 

74.4 其他说明

完整的代码，参考：http://download.csdn.net/detail/libing_zeng/9768236

 

 

Referrance

[1]. Kevin Suffern, Ray Tracing from theGround Up, A K Peters Ltd, 2007.