Wie beim Ray Casting bestimmt das Ray Tracing „die Sichtbarkeit von Oberflächen, indem imaginäre Lichtstrahlen vom Auge des Betrachters zum Objekt in der Szene verfolgt werden.“
Ray Casting ist schneller als Ray Tracing.
Das Raycasting ist schneller, weil seine Welt durch eine oder mehrere geometrische Beschränkungen (einfache geometrische Formen) begrenzt ist. Eine Raytracing-Welt kann fast jeder Form haben. Das Ray Casting wurde Anfang der 1980er Jahre entwickelt und 1992 von John Carmack in seinem bahnbrechenden 3D-Shooter Wolfenstein 3D erfolgreich eingesetzt. Ray Casting ist eine Technik, die eine begrenzte Form von Daten (eine sehr vereinfachte Map oder einen Grundriss) in eine 3D-Projektion umwandelt, indem sie Strahlen vom Standpunkt in das Betrachtungsvolumen verfolgt.
Dies ist der inzwischen ikonische 3D-Screenshot von Wolfenstein.
Der Begriff „Ray Casting“ wurde erstmals 1982 in einem Aufsatz von Scott Roth in der Computergrafik verwendet, um eine Methode zur Darstellung von konstruktiven Modellen mit Festkörpergeometrie zu beschreiben.
Ray Casting gilt als der grundlegendste der Computergrafik-Rendering-Algorithmen und verwendet den geometrischen Algorithmus des Ray Tracing. Der erste Ray-Casting-Algorithmus, der für die Darstellung verwendet wurde, wurde 1968 von Arthur Appel vorgestellt.
Allerdings ist das Ray-Casting viel schneller als das Ray Tracing. Die Schnelligkeit und Einfachheit des Ray Casting beruht auf der Berechnung der Lichtfarbe ohne rekursive Verfolgung zusätzlicher Strahlen, die die auf den Punkt, auf den der Strahl auftrifft, einfallende Strahldichte abtasten. Dadurch werden Reflexionen, Refraktionen oder der natürliche Fallof eliminiert. Alle diese Elemente können jedoch bis zu einem gewissen Grad durch die Verwendung von Textur-Maps oder anderen kreativen Methoden, die manchmal als Handbacken bezeichnet werden, gefälscht werden. Die hohe Rechengeschwindigkeit machte das Ray Casting zu einem gut genutzten Rendering-Werkzeug in frühen Echtzeit-3D-Videospielen.
Auf Raytracing basierende Rendering-Algorithmen arbeiten in der Reihenfolge der Bilder (vom Bildschirm oder Betrachter zur Lichtquelle), um dreidimensionale Szenen in zweidimensionale Bilder umzuwandeln. Geometrische Strahlen werden vom Auge des Beobachters verfolgt, um das Licht (Strahlendichte) zu erfassen, das sich aus der Strahlungsrichtung auf den Beobachter zubewegt.
Dieses raygetracte Bild einer Brille zeigt die perfekten Reflexionen und Refraktionen sowie Schatten.
Ray-Tracing kann einen sehr hohen Grad an visuellem Realismus erzeugen, der höher ist als der von typischen Scanline-Rendering-Methoden. Allerdings benötigt es viel mehr Rechenzyklen. Daher wurde das Raytracing auf Anwendungen reduziert, bei denen das Bild langsam vorzeitig gerendert werden kann und auf solche, die hochgenaue Reflexionen und Schatten erfordern.
Raytracing kann für Standbilder und visuelle Effekte in Film und Fernsehen verwendet werden, aber noch nicht in Echtzeitanwendungen wie Videospielen, wo die Geschwindigkeit entscheidend ist. Die Raytracing-Technik ist in der Lage, eine Vielzahl von optischen Effekten zu simulieren, z.B. Reflexion und Refraktion, Streuung und Dispersionsphänomene (z.B. chromatische Aberration).
„RayCharles1983“ von Rob Bogaerts.
Was hat das mit Ray Charles zu tun? Nun, eigentlich nichts. Wir mögen nur die Iteration von Ray und die Vorstellung, dass dieser schöne Bilder von Klang und Musik „sehen“ konnte, die der Rest von uns nur erahnen konnte.
Wenn das Ray Casting 10 Zyklen dauert (um ein beliebiges Bild zu rendern), würde das Ray Tracing 100 bis 1000 Zyklen dauern. Zudem würde ein Voxel-Rendering 10.000 oder mehr benötigen. Man hat verschiedene Tricks angewandt, um das Voxel-Rendering so aussehen zu lassen, als ob es schneller gerendert würde. Aber wie beim Ray Casting waren es Tricks, die Artefakte und Ungenauigkeiten mit sich brachten. Zudem waren sie gewöhnlich nicht einmal sehr hübsch.
Ein Feld mit voxel-gerenderten Orangen wurde 2009 in Echtzeit gerendert und gezeigt (25 bis 40 fps bei 768 Zeilen).
Am einfachsten kann man sich ein Voxel als einen 3D-Pixel-Würfel vorstellen. Als Würfel hat er sechsmal so viele zu bearbeitende Flächen wie ein einfaches Pixel. Es stimmt zwar, dass man alle sechs Seiten sehen kann, aber mindestens zwei, wenn nicht drei, sind sichtbar.
Voxel können verwendet werden, um Rauchwolken, Meereswellen und andere ultradynamische und normalerweise nicht prognostizierbare Strömungen darzustellen. Sie werden auch für die medizinische Bildgebung verwendet. Voxel werden verwendet, um die digitalen Schnitte zu erstellen, aus denen Tomogramme und MRIs (Magnetresonanzbilder) bestehen.
Flammen und Rauch wurden mit Hilfe von Voxeln erzeugt.
In der modernen Computergrafik können alle drei Techniken genutzt werden und das ist oft der Fall, besonders im Kino. Das Toolset der Computergrafik ist voll von cleveren und nützlichen Werkzeugen und wie jeder gute Mechaniker oder Schreiner versucht man nicht, ein Werkzeug für alle Probleme zu verwenden. Der Unterschied zwischen Ray Casting, Ray Tracing und Voxels ist also Geschwindigkeit versus Genauigkeit. So wie Ray Charles seine Musik verpfuschen würde, wenn er versucht, sie im falschen Tempo abzuspielen, wird ein Computerbild verpfuscht, wenn das falsche Werkzeug im Namen der Geschwindigkeit verwendet wird. Man muss das richtige Tempo für ein bestimmtes Bild finden.
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