تتبع الشعاع

تتبع الشعاع هو خوارزمية لمحاكاة انتشار الموجات . تم تطويرها في سياق رسومات الحاسوب لعرض المشاهد ثلاثية الأبعاد ، ولكنها استخدمت أيضًا في مجالات أخرى مماثلة مثل محاكاة الصوتيات والكهرومغناطيسية .

تتبع الحزمة هو مشتق من خوارزمية تتبع الأشعة ، حيث يستبدل الأشعة، التي ليس لها سُمك، بحزم ضوئية. تتخذ هذه الحزم شكل أهرامات غير محدودة، ذات مقاطع عرضية مضلعة (قد تكون معقدة ) . وقد اقترح بول هيكبرت وبات هانراهان تتبع الحزمة الضوئية لأول مرة . ^{[ 1 ]}

في تقنية تتبع الشعاع، يُطلق شعاع هرمي مبدئيًا عبر كامل مجال الرؤية . يتقاطع هذا الشعاع الأولي مع كل مضلع في البيئة، عادةً من الأقرب إلى الأبعد. يجب أن يكون كل مضلع يتقاطع مع الشعاع مرئيًا، ويُزال من شكل الشعاع ويُضاف إلى قائمة العرض. عندما يتقاطع شعاع مع مضلع عاكس أو منكسر، يُنشأ شعاع جديد بطريقة مشابهة لتقنية تتبع الأشعة.

تعتمد إحدى تقنيات تتبع الشعاع على إسقاط شعاع هرمي عبر كل بكسل في مستوى الصورة . ثم يُقسّم هذا الشعاع إلى أشعة فرعية بناءً على تقاطعه مع هندسة المشهد. كما تُستبدل أشعة الانعكاس والانكسار بأشعة هرمية. نادرًا ما يُستخدم هذا النوع من التطبيقات، لأن العمليات الهندسية المُتضمنة فيه أكثر تعقيدًا وبالتالي أكثر تكلفة من مجرد إسقاط المزيد من الأشعة عبر البكسل. أما تتبع المخروط فهو تقنية مشابهة تستخدم مخروطًا بدلًا من الهرم المعقد.

يُعالج تتبع الحزم الضوئية بعض المشكلات المتعلقة بأخذ العينات والتشويه ، والتي قد تُعيق أساليب تتبع الأشعة التقليدية. ^{[ 2 ]} ولأن تتبع الحزم الضوئية يحسب مسار كل شعاع ممكن داخل كل حزمة ^{[ 3 ]} (والتي يُمكن اعتبارها حزمة كثيفة من الأشعة المتجاورة)، فإنه أقل عرضةً لنقص أخذ العينات (فقدان الأشعة) أو زيادتها (هدر الموارد الحاسوبية). وقد جعل التعقيد الحسابي المرتبط بالحزم الضوئية استخدامها غير شائع في العديد من تطبيقات التصور. يعمل تتبع الحزم الضوئية الكلاسيكي بشكل أفضل في المشاهد المضلعة؛ أما الانعكاسات والانكسارات التي تشمل الأسطح المنحنية فهي أصعب بكثير بالنسبة للطريقة الأساسية، وعادةً ما تتطلب إضافات. ^{[ 1 ]} في السنوات الأخيرة، أصبحت خوارزميات مونت كارلو ، مثل تتبع الأشعة الموزع ونقل الضوء متروبوليس، أكثر شيوعًا في حسابات العرض.

يُلقي نوعٌ "عكسي" من تتبع الشعاع الضوءَ من مصدر الضوء إلى البيئة المحيطة. وعلى غرار رسم خرائط الفوتونات ، يُمكن استخدام تتبع الشعاع العكسي لنمذجة تأثيرات الإضاءة بكفاءة، مثل الانعكاسات الضوئية . ^{[ 4 ]} وقد تم توسيع نطاق تقنية تتبع الشعاع العكسي مؤخرًا لتشمل التفاعلات بين المواد اللامعة والمواد المشتتة (تتبع الشعاع العكسي اللامع)، كما هو الحال مع الأسطح المعدنية المصقولة. ^{[ 5 ]}

لقد طُبقت تقنية تتبع الحزم بنجاح في مجالي النمذجة الصوتية ونمذجة انتشار الموجات الراديوية . في كلا التطبيقين، تُستخدم الحزم كطريقة فعالة لتتبع الانعكاسات العميقة من المصدر إلى المستقبل (أو العكس)، مما يوفر طريقة ملائمة ومختصرة لتمثيل الرؤية.

• بات هانراهان
• تتبع الأشعة (الرسومات)