Trong các phần trước, khi thực hiện Ray tracing (RT) hướng của các tia sáng được chiếu đi đều đã được xác định trước. Trong phần này, ta sẽ xem xét các hiệu ứng được thực hiện với kỹ thuật RT Monte Carlo (hay còn gọi là RT ngẫu nhiên) trong các trường hợp nguồn sáng, hướng tia sáng, số lượng tia được chiếu ra là ngẫu nhiên. Kỹ thuật RT Monte Carlo thường chia thành hai loại: RT phân tán và RT theo đường.
2.4.4.1. Ray tracing phân tán
Khi thực hiện kỹ thuật Ray tracing phân tán, từ mỗi điểm trên bề mặt vật thể sẽ chiếu đi nhiều tia sáng để lấy mẫu về ánh sáng, độ phản chiếu hay nhiều hiệu ứng khác trong cảnh được mô phỏng. Hình vẽ sau mô tả một cây gồm các tia phản xạ và khúc xạ khi thực hiện Ray tracing phân tán. Nhìn hình ta có thể thấy khi sử dụng kỹ thuật Ray tracing phân tán có thể làm phát sinh một số lượng lớn tia sáng sau một vài lần va chạm với các bề mặt vật thể. Tuy nhiên, khi sử dụng kỹ thuật này việc quản lý các tia sáng phát sinh từ mỗi điểm trên các bề mặt vật thể lại khá dễ dàng, phương pháp thường được sử dụng đó là quản lý phân tầng các tia sáng.
Hình 2.97. Cây phản xạ và khúc xạ tia sáng với Ray tracing phân tán.
2.4.4.2. Ray tracing theo đường
Ray tracing theo đường là một biến thể của kỹ thuật Ray tracing phân tán với mỗi điểm trên bề mặt vật thể chỉ xem xét một tia phản xạ hoặc khúc xạ. Kỹ thuật này tránh được sự bùng nổ số lượng tia sáng phát sinh sau mỗi va chạm, nhưng do việc thực hiện đơn giản nên dễ dẫn đến việc tạo những hình ảnh bị nhiễu. Để khắc phục nhược điểm này, tại mỗi điểm ảnh trên bề mặt vật thể sẽ được xem xét xử lý nhiều hơn một tia sáng, tuy nhiênsố lượng các tia này được giới hạn. Kỹ thuật Ray tracing theo đường thể hiện nhiều ưu điểm khi thực hiện các hiệu ứng về camera như hiệu ứng độ sâu trường ảnh hay làm mờ chuyển động. Tuy nhiên, khi sử dụng kỹ thuật này việc quảy lý sự phân tán các tia phản xạ, khúc xạ phát sinh tương đối khó khăn so với kỹ thuật Ray tracing phân tán, nhất là việc quản lý phân tầng các tia sáng.
2.4.4.3. Đổ bóng với nguồn sáng hẹp
Nguồn sáng hẹp khi chiếu vào các vật thể tạo ra bóng đổ mềm. Đổ bóng mềm là hiện tượng trên bề mặt chứa bóng đổ của vật thể tồn tại ba khu vực: khu vực hoàn toàn sáng, khu vực hoàn toàn tối (do bóng của vật thể) và khu vực nửa sáng nửa tối (gọi là vùng nửa tối). Đổ bóng mềm có thể được tính toán mô phỏng bằng cách chiếu các tia tạo bóng đổ tới các điểm ngẫu nhiên thuộc vùng được chiếu sáng bởi nguồn sáng hẹp.
Hình vẽ (a) mô tả các tia tạo bóng đổ từ ba điểm trên mặt chứa bóng tới một nguồn sáng hẹp (hình tam giác nhỏ bên trên), trong đó có một số tia đã chạm qua vật thể. Hình (b)
mô tả đổ bóng mềm trong phối cảnh hai ấm trà. Trong ảnh này, nguồn sáng có hình cầu và bóng mềm được xử lý bằng kỹ thuật Ray tracing phân tán.
Hình 2.108.(a) Các tia đổ bóng; (b) Hai ấm trà đổ bóng mềm với nguồn sáng hẹp.
2.4.4.4. Đổ bóng với nguồn sáng rộng
Nguồn sáng rộng được hiểu là các nguồn sáng có kích thước cực lớn, ví dụ ánh sáng ban ngày. Đối với nguồn sáng rộng, trong khoảng cách nhất định với vật thể hầu như không tồn tại vùng hoàn toàn tối cũng như vùng hoàn toàn sáng mà đa số đều là vùng nửa tối. Hình vẽ (a) mô tả các tia từ hai điểm trên bề mặt chứa bóng đổ tạo ra từ nguồn sáng rộng. Tại điểm bên trái hầu hết các tia đều chạm qua vật thể, do đó điểm này thuộc vùng nửa tối thiên về tối; tại điểm bên phải chỉ có một vài tia chạm qua vật thể, do đó điểm này thuộc vùng nửa tối thiên về sáng. Hình (b) mô tả phối cảnh hai ấm trà trong điều kiện nguồn sáng rộng.
Hình 2.119.(a) Các tia đổ bóng; (b) Hai ấm trà đổ bóng với nguồn sáng rộng.
2.4.4.5. Phản xạ bề mặt bóng
Phản xạ bề mặt bóng là việc các tia sáng phản xạ tại bề mặt nhẵn bóng của vật thể đang được mô phỏng không xuất phát trực tiếp từ nguồn sáng mà được hắt lại từ một hoặc nhiều mặt khác, tạo ra các hình chiếu của các mặt khác đó trên bề mặt nhẵn bóng của vật thể đang mô phỏng. Phản xạ bề mặt bóng với các tia sáng từ nguồn sáng gián tiếp như vậy được tính toán bằng cách chiếu các tia theo hướng phản xạ phân tán tại bề mặt bóng. Với một hướng tia tới cho trước và một cặp số ngẫu nhiên sẽ hình thành nên mô hình phản xạ và cho phép tính được hướng ra của tia phản xạ.Hình 3.29 mô tả sự phản xạ bề mặt bóng của hai ấm trà. Sự phản xạ được tính toán sử dụng mô hình phản xạ bề mặt bóng của Ward(còn gọi là mô hình phản xạ đẳng hướng).
Hình 2.30.(a) Hai ấm trà với hiệu ứng phản xạ bề mặt bóng; (b) Cận cảnh hiệu ứng phản xạ bề mặt bóng.
2.4.4.6. Phản xạ khuếch tán
Một số nhà nghiên cứu đồ họa máy tính đã sử dụng kỹ thuật ray tracing phân tán rộng để mô phỏng trường hợp các tia tới là các tia khuếch tán. Phản xạ khuếch tán là hiện tượng một bề mặt được chiếu sáng bởi các nguồn sáng gián tiếp phản xạ từ các bề mặt gần đó và bị phủ bởi màu sắc của các bề mặt này. Ta có thể xem xét hình vẽ sau để hiểu rõ hơn về kỹ thuật mô phỏng này. Trong hình vẽ hai ấm trà được đặt trong môi trường không có nguồn sáng bao trùm khung cảnh. Bất kỳ ánh sáng nào có trong vùng bóng đổ bắt nguồn từ sự phản xạ khuếch tán của các nguồn sáng gián tiếp. Đặc biệt lưu ý, cách các ô vuông trắng trên bề mặt ca-rô phản chiếu ánh sáng lên phần đáy của các ấm trà, và cách mà vòi của ấm trà bên phải hắt ánh sáng lên vùng thân ấm gần đó.
Hiệu ứng này thường được gọi là hiệu ứng chảy màu, cho phép mô phỏng một bề mặt được hắt sáng và phủ màu bởi một hoặc một số vật gần đó.
Hình 2.121. Hai ấm trà trên nền ca-rô với hiệu ứng phản xạ khuếch tán.
2.4.4.7. Độ sâu trường ảnh
Trong thực tế, các máy ảnh được thiết kế với ống kính có khẩu độ hữu hạn, do vậy tại mỗi thời điểm chụp máy ảnh sẽ lựa chọn một tiêu cự nhất định. Khi đó, các vật thể ở xa hơn tiêu cự được máy ảnh lựa chọn sẽ bị mờ đi. Trong đồ họa máy tính, ta có thể mô phỏng việc mở khẩu độ hữu hạn của máy ảnh bằng cách dò theo các tia sáng có nguồn và hướng chiếu xê dịch một khoảng nhất định như mô tả trong hình (a) dưới đây. Hình (b) biểu diễn việc mô
phỏng hiệu ứng độ sâu trường ảnh như sau: ấm trà phía trước nằm gần như hoàn toàn đúng tiêu cự của máy ảnh chụp, còn ấm trà phía sau nằm ngoài tiêu cự.
Hình 2.132. (a) Đường đi của tia sáng gây ra độ mờ hữu hạn; (b) Hai ấm trà với hiệu ứng độ sâu trường ảnh.
2.4.4.8. Làm mờ chuyển động
Trong các máy ảnh thật, khi tiến hành chụp một bức ảnh, cửa trập của máy ảnh cần một thời gian nhất định mới lưu giữ được đủ ánh sáng lên phim hoặc chip CCD. Nếu một vật thể đang chuyển động trong khoảng thời gian cửa trập mở để lưu giữ hình ảnh, trong hình ảnh được máy ảnh lưu giữ nó sẽ bị mờ đi. Để mô phỏng được hiệu ứng này bằng kỹ thuật Ray tracing, ta có thể chiếu các tia tại các thời điểm khác nhau trong khoảng thời gian mở cửa trập của máy ảnh. Trong quá trình ghi nhận kết quả mô phỏng, các tia sáng tới vật thể, ta sẽ giả định cho các vật thể chuyển động trong một khoảng thời gian nhất định.
Hình sau mô tả việc hiển thị hai ấm trà bị mờ đi trong quá trình chuyển động: ấm trà sẫm màu đang di chuyển, trong khi đó ấm trà sáng màu vừa di chuyển vừa tự xoay quanh trục của nó. Như vậy, các ấm trà đã bị làm mờ đi khi lên ảnh và các hình phản chiếu cũng như bóng của chúng cũng bị làm mờ đi.