Was ist raytracing?

Raytracing

Raytracing ist eine <a href="https://de.wikiwhat.page/kavramlar/Rendering">Rendering-Technik</a>, die verwendet wird, um realistische Bilder zu erzeugen, indem der Pfad von Lichtstrahlen in einer virtuellen Szene simuliert wird. Im Gegensatz zu Rasterisierungs-basierten Methoden, die die Szene in Pixel zerlegen und diese dann berechnen, verfolgt Raytracing die Lichtstrahlen rückwärts vom Auge des Betrachters durch die Pixel des Bildschirms in die Szene.

Grundprinzip:

Strahlenerzeugung: Für jedes Pixel wird ein Strahl erzeugt, der vom virtuellen Betrachter (Kamera) durch das Pixel in die Szene geschickt wird.
Schnittpunktprüfung: Der Strahl wird auf Schnittpunkte mit Objekten in der Szene geprüft. Der nächstgelegene Schnittpunkt wird ermittelt.
Schattierung: Am Schnittpunkt wird die Farbe des Pixels berechnet. Dies beinhaltet:
- Direkte Beleuchtung: Berechnen des Lichts, das direkt von <a href="https://de.wikiwhat.page/kavramlar/Lichtquelle">Lichtquellen</a> auf den Punkt fällt.
- Schattenprüfung: Überprüfen, ob der Punkt im Schatten liegt, indem ein Strahl von dem Punkt zur Lichtquelle gesendet wird. Wenn dieser Strahl ein Objekt schneidet, liegt der Punkt im Schatten.
- Reflexion und Brechung: Abhängig von den Materialeigenschaften des Objekts werden zusätzliche Strahlen erzeugt:
  - Reflexionsstrahl: Simuliert Spiegelungen, indem ein Strahl im Spiegelwinkel zur Oberfläche erzeugt wird. Dieser Strahl wird rekursiv verfolgt, um die Farbe des reflektierten Objekts zu ermitteln. Siehe auch <a href="https://de.wikiwhat.page/kavramlar/Reflexion">Reflexion</a>.
  - Brechungsstrahl: Simuliert Lichtbrechung (z.B. durch Glas oder Wasser), indem ein Strahl entsprechend dem Brechungsindex des Materials abgelenkt wird. Dieser Strahl wird ebenfalls rekursiv verfolgt. Siehe auch <a href="https://de.wikiwhat.page/kavramlar/Brechung">Brechung</a>.
Rekursion: Die Reflexions- und Brechungsstrahlen werden rekursiv verfolgt, bis ein bestimmtes Abbruchkriterium erreicht ist (z. B. eine maximale Rekursionstiefe oder ein Strahl, der keine Objekte trifft).
Farbberechnung: Die Farben aller Strahlen werden kombiniert, um die endgültige Farbe des Pixels zu bestimmen.

Vorteile:

Hoher Realismus: Raytracing erzeugt sehr realistische Bilder, da es physikalisch korrektes Lichtverhalten simuliert.
Globale Beleuchtung: Raytracing kann globale Beleuchtungseffekte wie <a href="https://de.wikiwhat.page/kavramlar/Reflexionen">Reflexionen</a>, Brechungen und Schattenwurf korrekt darstellen.
Einfache Handhabung komplexer Szenen: Raytracing kann komplexe Szenen mit vielen Objekten und Lichtquellen effizient verarbeiten.

Nachteile:

Hoher Rechenaufwand: Raytracing ist rechenintensiv, da für jedes Pixel viele Strahlen verfolgt werden müssen.
Langsame Rendering-Zeiten: Aufgrund des hohen Rechenaufwands kann das Rendern von Bildern mit Raytracing sehr lange dauern.

Techniken zur Beschleunigung:

Bounding Volume Hierarchies (BVH): Beschleunigen die Schnittpunktprüfung, indem Objekte in hierarchischen Strukturen organisiert werden.
Spatial Partitioning: Teilt den Raum in kleinere Zellen auf, um die Anzahl der Objekte zu reduzieren, die bei der Schnittpunktprüfung berücksichtigt werden müssen.
Adaptive Sampling: Verwendet mehr Strahlen in Bereichen des Bildes, in denen mehr Details oder komplexere Lichteffekte vorhanden sind.

Anwendungen:

Filme und Animationen: Raytracing wird in der Film- und Animationsindustrie verwendet, um hochrealistische Bilder zu erzeugen.
Architekturvisualisierung: Architekten und Designer verwenden Raytracing, um realistische Darstellungen von Gebäuden und Innenräumen zu erstellen.
Spiele: Moderne Spiele nutzen zunehmend Raytracing, um die Grafikqualität zu verbessern (oft als "Raytracing-Effekte" bezeichnet).
Wissenschaftliche Visualisierung: Wissenschaftler verwenden Raytracing, um komplexe wissenschaftliche Daten zu visualisieren.

Varianten:

Path Tracing: Eine Monte-Carlo-Methode, die den Pfad vieler Lichtstrahlen simuliert, um eine realistische Beleuchtung zu erzeugen. Siehe auch <a href="https://de.wikiwhat.page/kavramlar/Path%20Tracing">Path Tracing</a>.
Bidirectional Path Tracing: Kombiniert Path Tracing von der Kamera und den Lichtquellen aus, um die Effizienz zu verbessern.
Photon Mapping: Speichert Informationen über die Verteilung von Lichtenergie in der Szene, um die globale Beleuchtung effizienter zu berechnen.

Raytracing ist eine sich ständig weiterentwickelnde Technologie, die das Potenzial hat, die Art und Weise, wie wir Bilder erzeugen, grundlegend zu verändern.