虚拟现实和增强现实之渲染和显示算法：光线追踪：路径追踪与全局光照.docx资源-CSDN文库

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虚拟现实和增强现实之渲染和显示算法：光线追踪：路径

追踪与全局光照

1 虚拟现实与增强现实基础

1.1 VR 与 AR 的定义与区别

在探讨虚拟现实（Virtual Reality，简称 VR）与增强现实（Augmented

Reality，简称 AR）之前，我们首先需要理解这两个概念的基本定义及其核心区

别。

1.1.1 Virtual Reality (VR)

虚拟现实是一种技术，它通过计算机生成的环境让用户沉浸在一个完全虚

拟的世界中。VR 系统通常包括头戴式显示器（Head-Mounted Display，HMD），

它可以提供 360 度的视觉体验，以及手柄或其他输入设备，让用户能够与虚拟

环境进行交互。VR 的关键在于创造一个与现实世界隔离的沉浸式体验，让用户

感觉自己完全处于另一个世界中。

1.1.2 Augmented Reality (AR)

增强现实则是在现实世界的视图上叠加虚拟信息，而不是完全替代现实。

AR 技术可以将计算机生成的图像、声音、数据等信息与用户当前的环境相结合，

增强用户对现实世界的感知。AR 通常通过智能手机、智能眼镜或头戴式设备实

现，这些设备的摄像头捕捉现实场景，然后在屏幕上显示虚拟元素，与真实环

境无缝融合。

1.1.3 VR 与 AR 的区别

� 沉浸感：VR 提供完全沉浸的体验，用户被完全包围在虚拟环境中；

而 AR 则是在现实世界的视图上叠加虚拟元素，用户仍然能够感知到周

围的真实环境。

� 设备：VR 通常需要专用的头戴式设备，而 AR 则更多地依赖于智

能手机或智能眼镜等便携设备。

� 应用领域：VR 广泛应用于游戏、培训和治疗等领域，而 AR 则在

教育、导航、购物和工业维护等方面有独特优势。

1.2 渲染与显示技术概览

虚拟现实和增强现实的体验质量在很大程度上取决于渲染和显示技术。这

些技术负责将虚拟内容以高保真度和低延迟的方式呈现给用户，从而创造逼真

的视觉效果和流畅的交互体验。

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1.2.4 结论

虚拟现实和增强现实的渲染与显示技术是创造沉浸式体验的关键。通过采

用先进的渲染技术，如光线追踪、路径追踪和全局光照，以及优化的显示技术，

如高分辨率显示和快速响应时间，可以显著提升 VR 和 AR 应用的视觉质量和用

户体验。随着技术的不断进步，未来的 VR 和 AR 设备将能够提供更加真实、流

畅和丰富的沉浸式体验。

2 光线追踪原理

2.1 光线追踪的基本概念

光线追踪是一种渲染技术，用于模拟光线在三维场景中的传播和反射，以

生成高度逼真的图像。这种技术基于光学原理，即光线沿直线传播，遇到物体

时会发生反射、折射或被吸收。在计算机图形学中，光线追踪通过反向追踪从

观察者眼睛（或相机）发出的光线，计算光线与场景中物体的交点，从而确定

每个像素的颜色。

2.1.1 光线追踪的步骤

1. 生成光线：从相机位置向场景中的每个像素发射一条光线。

2. 光线与物体的交点检测：检测光线是否与场景中的任何物体相交。

3. 计算交点处的颜色：根据物体的材质属性和光源的位置，计算交

点处的光照效果。

4. 反射和折射：对于每个交点，根据物体的反射和折射属性，发射

新的光线。

5. 递归追踪：重复上述步骤，直到光线不再与任何物体相交或达到

预设的递归深度。

2.2 光线与场景的交互

光线与场景的交互是光线追踪技术的核心。当光线遇到场景中的物体时，

它可能被吸收、反射或折射。这些交互决定了最终图像的外观，包括阴影、高

光和透明效果。

2.2.1 光线-物体交点检测

检测光线与物体的交点是光线追踪中最耗时的步骤之一。对于简单的几何

形状，如球体或平面，可以使用解析方法直接计算交点。然而，对于复杂的场

景，通常需要使用更高效的算法，如空间分割技术（如 BSP 树或八叉树）来加

速交点检测。

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