光线追踪：计算机图形学中的真实感光照模拟

光线追踪是一种渲染技术，它通过追踪光线在图像平面中作为像素的路径，并模拟其与虚拟对象的交互来生成图像。与光栅化等传统渲染方法相比，它能够通过精确模拟光传输的物理原理，产生更高程度的真实感。本文将全面概述光线追踪，探讨其基本原理、应用、优势、挑战和未来趋势。

什么是光线追踪？

从核心上讲，光线追踪的工作原理是反转传统的相机模型。它不是将三角形投影到屏幕上，而是从相机（或眼睛）穿过图像平面中的每个像素向场景中投射光线。这些光线随后与场景中的对象相交，交点处的着色根据对象的材质属性和光照条件进行计算。像素的颜色最终由该着色计算的结果确定。

与近似光照效果的光栅化不同，光线追踪试图精确模拟光在现实世界中的行为。这包括反射、折射、阴影和全局光照等效果。通过为每个像素追踪多条光线并在场景中反弹，光线追踪可以创建出具有复杂光照效果的、令人难以置信的逼真图像。

光线追踪的工作原理

光线追踪过程可以分解为以下几个关键步骤：

1. 光线生成

对于图像中的每个像素，从相机位置穿过该像素向场景中生成一条主光线。

2. 光线与物体的相交

测试该光线与场景中每个物体的相交情况，并确定最近的交点。

3. 着色

在交点处，通过着色计算来确定像素的颜色。这包括考虑：

• 直接光照：从光源直接传播到表面点的光线。
• 反射：如果表面是反射性的，则从交点投射一条反射光线。
• 折射：如果表面是透明的，则从交点投射一条折射光线。
• 阴影：从交点向每个光源投射一条阴影光线，以确定该点是否处于阴影中。

4. 递归光线追踪

反射和折射光线被递归追踪，直到它们击中光源或达到最大递归深度。这使得模拟复杂的光照效果成为可能，例如反射中的反射。

5. 颜色累积

将递归光线追踪过程返回的颜色结合起来，以确定像素的最终颜色。

光线追踪中的关键概念

理解这些关键概念对于掌握光线追踪的复杂性至关重要：

全局光照

全局光照指的是模拟间接光照效果，如颜色溢出和软阴影。光线追踪通过追踪超越直接光源的光线，在模拟全局光照方面表现出色。这创造了更真实、更具沉浸感的视觉体验。与光线追踪一起使用的全局光照算法示例包括：

• 路径追踪：一种蒙特卡洛方法，通过在场景中追踪随机的光线路径。
• 光子映射：一种两遍算法，首先从光源追踪光子以构建光子图，然后从相机追踪光线以估算每个像素的光照。
• 双向路径追踪：结合了从相机和从光源出发的路径追踪，以提高效率。

蒙特卡洛积分

许多光线追踪算法，特别是用于全局光照的算法，依赖于蒙特卡洛积分来估计那些难以或无法通过解析方法求解的积分。蒙特卡洛积分涉及随机采样并对其结果进行平均，以近似积分的值。这对于计算涉及对许多可能的光路进行积分的复杂光照效果特别有用。

加速结构

光线追踪的计算成本可能很高，因为每条光线都需要与场景中的每个物体进行相交测试。加速结构用于减少所需的相交测试次数。常见的加速结构包括：

• 包围盒层次结构 (BVH)：一种将物体包裹在包围盒中的分层树状结构。
• k-d 树：一种空间分割数据结构，将场景划分为更小的区域。
• 空间哈希：一种使用哈希函数快速定位空间区域中物体的技术。

光线追踪的优势

与传统渲染技术相比，光线追踪具有以下几个优势：

• 真实感：精确模拟光照效果，产生高度逼真的图像。
• 全局光照：能够模拟间接光照，创造更具沉浸感的场景。
• 反射和折射：真实地渲染反射和透明表面。
• 阴影：精确模拟硬阴影和软阴影。
• 通用性：可用于渲染各种各样的场景和材质。

光线追踪的劣势

尽管有其优势，光线追踪也有一些缺点：

• 计算成本：光线追踪的计算成本可能很高，尤其是对于复杂场景。
• 复杂性：实现光线追踪算法可能复杂且耗时。
• 噪点：蒙特卡洛光线追踪算法可能会产生有噪点的图像，需要去噪技术。

光线追踪的应用

光线追踪被用于广泛的应用领域，包括：

电影与动画

光线追踪在电影和动画行业被广泛用于创建高质量的视觉效果和逼真的图像。像皮克斯、迪士尼和梦工厂这样的公司都使用光线追踪来渲染他们的动画电影。例如，皮克斯的《怪兽电力公司》(Monsters, Inc.) 是早期使用光线追踪实现逼真毛发渲染的先驱之一。物体表面的反射和精确的阴影增加了一层前所未有的真实感。

游戏开发

得益于现代GPU中专用光线追踪硬件的出现，实时光线追踪在游戏开发中变得越来越普遍。像《赛博朋克2077》(Cyberpunk 2077)、《控制》(Control)和《地铁：离去》(Metro Exodus) 等游戏利用光线追踪技术，通过逼真的反射、阴影和全局光照来提升视觉保真度。这些增强功能显著改善了视觉沉浸感和整体游戏体验。

建筑可视化

光线追踪被用于创建逼真的建筑设计渲染图，使建筑师和设计师能够在建造前可视化他们的创作。这有助于做出设计决策并向客户传达设计意图。像 Lumion 和 Enscape 这样的软件严重依赖光线追踪来提供接近照片级真实的建筑项目预览。

产品设计

光线追踪在产品设计中用于创建逼真的产品渲染图，使设计师能够评估其设计的外观和功能。例如，汽车制造商使用光线追踪来可视化和完善新车型的设计，精确模拟光线与车辆表面的相互作用。

科学可视化

光线追踪在科学可视化中用于渲染复杂的数据集，如医学图像和物理现象的模拟。这使得科学家能够更好地理解和分析他们的数据。例如，用光线追踪可视化MRI数据可以提供更清晰、更详细的内脏器官图像。

光线追踪硬件与软件

支持光线追踪的GPU

来自NVIDIA（RTX系列）和AMD（Radeon RX 6000系列及更高版本）的现代GPU具有专用的光线追踪硬件，显著加快了渲染过程。这些GPU包括专门的核心（NVIDIA GPU中的RT核心和AMD GPU中的光线加速器），旨在高效地执行光线与物体的相交测试。

光线追踪API

有几个API提供对光线追踪的支持，包括：

• DirectX Raytracing (DXR)：微软的光线追踪API，可在Windows 10及更高版本中使用。
• Vulkan Ray Tracing：由Vulkan支持的跨平台光线追踪API。
• OptiX：NVIDIA的光线追踪引擎，专为在NVIDIA GPU上进行高性能光线追踪而设计。

光线追踪软件

众多软件包支持光线追踪，包括：

• Blender：一款免费开源的3D创作套件，通过其Cycles渲染引擎支持光线追踪。
• Autodesk Maya：一款专业的3D建模和动画软件包，通过其Arnold渲染器支持光线追踪。
• Cinema 4D：一款3D建模、动画和渲染软件包，通过其内置渲染引擎支持光线追踪。
• Unreal Engine：一款支持实时光线追踪的流行游戏引擎。
• Unity：另一款同样支持实时光线追踪的流行游戏引擎。

实时光线追踪

实时光线追踪指的是能够以交互式帧率（通常为每秒30帧或更高）渲染光线追踪图像的能力。这得益于GPU技术的进步和高效光线追踪算法的发展。

实时光线追踪主要用于游戏开发，以在不牺牲性能的情况下增强视觉保真度。然而，它也在其他领域找到了应用，如虚拟现实和增强现实。

有几种技术用于优化实时光线追踪，包括：

• 去噪：从光线追踪图像中去除噪点以提高视觉质量。
• 自适应采样：根据场景的复杂性调整每个像素追踪的光线数量。
• 混合渲染：将光线追踪与传统的光栅化技术相结合，以在视觉质量和性能之间取得平衡。

光线追踪的未来

光线追踪是一个不断发展的领域，正在进行的研究和开发工作专注于提高其性能、效率和真实感。光线追踪的一些未来趋势包括：

人工智能加速的光线追踪

利用人工智能（AI）加速光线追踪是一个很有前景的研究领域。AI可用于：

• 图像去噪：由AI驱动的去噪器可以比传统去噪器更有效地去除光线追踪图像中的噪点。
• 预测光照：可以训练AI来预测场景中的光照，从而减少需要追踪的光线数量。
• 优化加速结构：AI可用于优化加速结构的构建和遍历。

基于云的光线追踪

基于云的光线追踪涉及在远程服务器上渲染光线追踪图像，并将结果流式传输到用户的设备上。这使得用户无需在本地机器上拥有强大的硬件即可体验光线追踪。像NVIDIA和谷歌这样的公司正在探索基于云的光线追踪。

神经渲染

神经渲染技术将光线追踪与深度学习相结合，以创建新颖的渲染方法。神经渲染可用于：

• 从稀疏数据生成逼真图像：神经渲染可以从少量输入图像甚至仅仅几个数据点生成逼真的图像。
• 创建场景的新视图：神经渲染可以创建原始图像未捕捉到的场景新视图。
• 以物理上合理的方式编辑图像：神经渲染可以在保持物理真实感的同时编辑图像。

光线追踪在不同行业的应用：全球视角

光线追踪的采用情况因行业和地理区域而异，反映了技术基础设施、经济因素和创作偏好的差异。以下是一些全球视角：

北美

北美，特别是美国，一直是采用光线追踪的先行者，尤其是在电影和游戏行业。像皮克斯这样的主要动画工作室和艺电（Electronic Arts）这样的游戏开发商的存在，推动了光线追踪技术的创新和投资。此外，高端GPU的广泛可用性和强大的互联网基础设施促进了实时和基于云的光线追踪解决方案的采用。

欧洲

欧洲在光线追踪的采用方面展现了多样化的格局。像英国和德国这样的国家拥有强大的游戏和视觉特效产业，促进了光线追踪在这些领域的应用。建筑可视化也从光线追踪中获益匪浅，尤其是在像意大利和法国这样拥有丰富建筑遗产的国家，详细而准确的渲染对于保护和设计至关重要。此外，欧洲的研究机构也积极参与推进光线追踪算法和硬件的发展。

亚太地区

在像中国、韩国和日本等国家蓬勃发展的游戏和娱乐产业的推动下，亚太地区在光线追踪的采用方面正在迅速追赶。以其先进技术基础设施而闻名的韩国是游戏开发和视觉效果的中心，许多工作室都采用光线追踪来增强真实感。中国日益增长的游戏市场也推动了对支持光线追踪的硬件和软件的需求。日本的动漫产业正在探索使用光线追踪来提升视觉质量。在建筑可视化方面，像新加坡和香港这样的地方则将其用于复杂的城市发展项目。

新兴市场

在像印度和巴西这样的新兴市场，光线追踪的采用正在逐渐增加。虽然由于经济因素，高端GPU和软件的普及度可能较低，但对游戏和视觉效果日益增长的兴趣正在推动需求。随着互联网基础设施的改善和硬件成本的下降，光线追踪的采用预计将会增加，尤其是在建筑可视化和产品设计等领域。

结论

光线追踪是一种强大的渲染技术，它通过精确模拟光的物理特性，能够创造出高度逼真的图像。尽管传统上它的计算成本很高，但硬件和算法的进步已经使实时光线追踪成为现实。随着技术的不断发展，光线追踪将在从电影、动画到游戏开发和科学可视化等广泛应用中扮演越来越重要的角色。其产生照片级真实感结果的能力，使其成为任何寻求创造视觉震撼和沉浸式体验的人的宝贵工具。