3.2 场景表示与命中点处理

3.2 场景表示与命中点处理

上一节的求交函数解决"撞得上一件几何"，本节回答剩下两问：百万件几何如何组织成可查询的场景（原 3.2 场景表示），撞上之后要记录什么、怎么处理才不留隐患（原 3.3 相交栈与命中点处理，本节吸收合并）。这两件事决定了求交层与上层着色层之间的数据契约质量——契约含糊，后面每章都要还债。

建模网格与相交网格不是一回事

美术软件里存的是建模网格：带语义层级（"这是一扇可开启的门"）、带细分修改器、带贴图坐标编辑历史。光线追踪器要的是相交网格：扁平的三角形数组加空间索引，只关心"这一毫秒里每片三角形的绝对坐标"。两者之间隔着一道求值流水线：蒙皮、形态目标、位移贴图、细分、实例变换，最后落成相交网格。理解这道工序，你才能解释两个常见现象：为什么改了模型渲染图没变（建模层改了，相交网格没重建）；为什么同样模型渲染比预览慢（相交网格的三角形数远超显示代理）。

三角形是相交网格的默认原子，理由在 3.1 已经见过：求交计算紧凑、无分支、重心坐标白送法线与纹理插值。曲线曲面（NURBS、发丝曲线）在工业渲染器里通常被细分或转换成三角形束，只有少量专用渲染器保留解析求交。新兴的隐式表示——符号距离场、神经场——则通过"转网格"或"逐步推进"（sphere tracing）两种方式接入，第 10 章的新兴应用会再遇到它们。

实例化：一份原型，千军万马

场景组织的第二个关键机制是实例化。一片森林有一百万棵树，树只有二十种原型：为每种原型存一份三角形数据（几何原型），每棵具体的树只存一个变换矩阵加原型引用。射线与实例求交的标准流程是：先把射线乘以实例变换的逆矩阵，变到原型的局部空间求交，再把命中结果（命中点、法线）用正变换带回世界空间。注意法线要用逆转置矩阵变换——不均匀缩放下普通变换矩阵会把法线压歪，这是实例化实现里最经典的一处错误。

function intersect_instance(inst, ray):
    local_ray = transform(inst.inverse_matrix, ray)
    hit = intersect_prototype(inst.prototype, local_ray)   # 原型可复用加速结构
    if hit:
        hit.pos = apply(inst.matrix, hit.pos)
        hit.normal = normalize(apply(inst.normal_matrix, hit.normal))
        hit.inst_id = inst.id          # 上层靠它找回材质与动画语义
    return hit
​

实例化的收益远不止省内存：同原型的射线经过逆变换后局部坐标相近，缓存命中率上升；第 4 章的加速结构可以对每个原型只建一棵树，顶层再放一棵实例级的世界树——这个"两层树"思想在动态场景章节（4.3）会以 TLAS 与 BLAS 的名字正式登场，此处先埋种子。

命中记录：一份别写短的契约

求交成功后向上层交付什么？初学者常只存命中点与法线，这在玩具场景里能活，遇到透明体、实例、位移贴图立刻破产。一份合格的命中记录至少包含四组信息：

struct FullHit {
    float  t;              // 命中距离（区间语义见下文）
    float  t_exit;         // 闭合体的出射距离；表面命中时可省略
    vec3   pos;            // 世界空间命中点
    vec3   normal_geom;    // 几何法线：三角形的原始面法线
    vec3   normal_shade;   // 着色法线：顶点法线按重心权重插值
    vec2   uv;             // 纹理坐标，按重心权重插值
    uint   prim_id;        // 基元索引：回查顶点、材质、语义
    uint   inst_id;        // 实例索引：实例化场景必带
    bool   front_face;     // 命中的是外表面还是内表面
};
​

四个最容易欠账的字段逐一说明。面向标志 front_face：射线方向与几何法线的点积符号即可判定。它的作用远超"知道正反面"——折射计算必须知道"从外往里还是从里往外"才能选对折射率比值；双面材质（树叶、布料）要按面向选不同的着色规则。着色法线与几何法线分开存：几何法线是求交层的物理事实，着色法线是顶点法线插值或法线贴图扰动后的艺术表达；两者混用会把阴影射线与折射方向也带偏，产生"视觉对但物理错"的微妙偏差。实例索引：没有它，材质查表在实例化场景里直接失灵。区间字段 t_exit：普通表面命中只有一个 t，但玻璃球、水滴这类闭合体，一条射线会得到"进入 4、穿出 6"两个根——3.1 球体算例里那对根 (4, 6) 正是为此准备的。

图：从射线出发到着色层拿到的完整信息流

实验台：玻璃球一进一出与黑点排障

两个完整小实验。实验一，玻璃球的区间语义。取 3.1 球体算例的命中区间 (4, 6)：着色层拿到进点 t 等于 4、面向为"从外往里"，按折射率比值 1.0 比 1.5 算折射方向；追踪折射线穿出时命中 t 等于 6、面向"从里往外"，折射率比值倒转。若实现偷懒只存一个 t，出射段的折射率方向必然搞反，玻璃球会呈现出"厚度方向颜色错层"的怪相——这是检验区间语义是否正确的一块试金石。变式：把球换成薄壳（双层表面），区间退化成两对贴近的根，恰好演示为什么实时管线常把薄玻璃简化成单层。

实验二，芝麻黑点排障。画面在物体边缘和角落出现密密麻麻的黑点。诊断链按固定顺序走：第一查命中点是否被直接当作新射线的起点——命中点在表面上下抖动，新射线立刻与自身求交，解法是新起点沿法线方向偏移一个小 epsilon，或给 tmin 起步值；第二查阴影射线是否从着色点出发却撞上了自己——同样用偏移解决；第三查法线方向是否一致——若着色用几何法线、阴影偏移用插值法线，偏移方向与表面不垂直，斜面处黑点依旧。三步走完，九成黑点消失。这套排障链值得背下来：它是每个手写渲染器都要经历的成人礼。

场景更新的一笔账：谁动过就重算谁

命中契约讲的是静态瞬间，动态帧还多一件事：知道"谁变了"。细分级别被更换，相交网格与下游加速结构都要重建；实例矩阵被动画驱动，只有实例变换一层受影响；材质参数被用户拖动，几何侧谁也不用动。给每类对象挂上脏标记，让求值流水线只重算变过的环节，是把帧时间从"全量重建"压到"增量维护"的关键。这笔账在第 4 章算 TLAS 与 BLAS 的更新预算时还要再算一遍——底层正是本节"建模、实例、相交三层分离"的思想。

另一个值得点名的细节是纹理坐标的接缝。命中记录里的 uv 若来自贴图集接缝的两侧，插值会在缝隙处把一整块贴图的颜色抹进对方——画面上多出一条诡异色带，根因是几何上共享顶点、贴图上分属两块。处理办法是命中记录额外携带基元索引，着色层按三角形所属贴图块取值，绝不跨块插值。命中契约为什么要留基元索引，这里就是答案之一：它不只是回溯用的书签，还是贴图、顶点色、逐面材质这些"按面记账"数据的钥匙。

本节要点回顾

• 建模网格与相交网格分离，中间隔一道求值流水线；渲染异常先查相交网格是否同步。
• 实例化 = 原型数据 + 变换矩阵，法线必须用逆转置矩阵变换；两层树的思想在此埋种。
• 命中记录契约：距离、区间、双轨法线、纹理坐标、基元与实例索引、面向标志，一个都不能省。
• 闭合体要记区间对，玻璃一进一出的折射率方向靠面向标志裁决。
• 黑点排障三连：起点偏移、阴影偏移、法线一致性——每个手写渲染器的成人礼。

到此，"撞得上、撞得对、撞得明白"三件事齐活。但一亿次每秒的求交调用扫不动百万三角形——第 4 章的加速结构，正是为了让求交少干活。