### 基于物理的渲染：第十七章——光传输II：体积渲染
#### 章节概述
在本章节中，《基于物理的渲染》深入探讨了参与介质（即能够吸收、发射和散射辐射的物质）对场景光照分布的影响，并介绍了体积积分器的概念以及其实现方法。该章节首先引入了传输方程这一基础理论，然后详细阐述了体积积分器的接口设计及几种简单的实现方式。本章还讨论了如何将上一章中介绍的表面光照算法推广到处理参与介质的情形。
#### 传输方程
##### 定义与解释
传输方程是描述光线在参与介质中的行为的基础方程。它综合考虑了介质中的吸收、发射和散射过程，从而给出一个环境中辐射分布的方程。当忽略参与介质并专门处理表面散射时，光传输方程实际上是传输方程的一个特例（Arvo 1993）。
##### 方程形式
最简单形式下，传输方程是一个积分微分方程，描述了空间中某点沿一条光线方向上辐射强度的变化情况。它可以转换为纯积分方程，来描绘沿直线无限多个点上的参与介质效应。通过减去减少能量的过程（如吸收和出射散射）与增加能量的过程（如发射和入射散射），可以直观地推导出传输方程。
##### 关键概念
- **吸收（Absorption）**：介质吸收光线能量，导致光线强度降低。
- **发射（Emission）**：介质自身发射光线，增加了环境中的光线强度。
- **散射（Scattering）**：
- **入射散射（In-scattering）**：外部光线进入介质内部并改变方向。
- **出射散射（Out-scattering）**：光线在介质内改变方向后离开介质。
##### 源项（Source Term）
源项是指由介质发射和入射散射造成的辐射强度变化。它是传输方程的重要组成部分，用于描述在特定点和方向上因发射和入射散射导致的辐射强度增量。
#### 体积积分器
##### 简介
体积积分器是负责将参与介质（如烟雾、云朵等）的效果整合进光照计算过程中的组件。它们通过解决传输方程来确定参与介质如何影响场景中的辐射分布。
##### 接口设计
体积积分器接口通常包括：
- **初始化（Initialization）**：设置体积积分器的工作参数。
- **采样（Sampling）**：沿着光线路径采样体积区域。
- **评估（Evaluation）**：根据采样结果评估参与介质的影响。
- **终止条件（Termination Conditions）**：定义何时停止积分。
##### 实现示例
本章节还提供了一些简单的体积积分器实现方法，如：
- **均匀体积积分器（Uniform Volume Integrator）**：假设介质性质在整个空间中均匀分布。
- **层状体积积分器（Layered Volume Integrator）**：模拟多层不同性质的介质。
- **蒙特卡洛体积积分器（Monte Carlo Volume Integrator）**：利用随机抽样技术进行复杂介质的模拟。
#### 进一步阅读与联系
本章末尾部分推荐了进一步阅读材料，帮助读者深入了解体积渲染领域的前沿研究和技术。此外，还提供了练习题以加深理解。
《基于物理的渲染》第十七章通过详细介绍传输方程及其应用，为读者提供了体积渲染领域全面而深入的理解。通过学习这些理论和实践知识，读者将能够在计算机图形学项目中更好地模拟真实世界中的光照效果。
