1、实时光线追踪技术：原理、应用与发展

实时光线追踪技术：原理、应用与发展

1. 光线追踪简介

光线追踪已经成为实时渲染的核心组成部分。如今，我们拥有能够加速光线追踪的消费级 GPU 和 API，但还需要专注于使渲染以每秒 60 帧或更高帧率运行，同时为每一帧提供高质量图像的算法。

光线追踪具有简单性、并行性和可访问性的特点。其简单性使得它易于可视化、解释和编码，即使是新手程序员也能轻松渲染出由点光源照亮的透明球体和棋盘格。虽然现代路径追踪等实现更为复杂，但本质上仍是让简单的直线与路径上的物体相交。

“高度并行”这一特性在有合适的并行引擎之前就被应用于光线追踪。如今，现代 GPU 的惊人并行性和强大计算能力与光线追踪完美匹配。

对于所有程序员来说，可访问性一直是个问题。过去，修改计算机电路来实现需求的时代已经过去，后来甚至难以深入图形 API 进行定制。但随着可编程着色的逐渐扩展，如今 GPU 的灵活性和编程工具为并行处理元素的全部计算潜力提供了前所未有的访问途径。

2. 从传统渲染到实时光线追踪

2.1 传统渲染的局限性

传统的基于光栅化的渲染方法在模拟光线行为时遇到了瓶颈。在渲染中模拟光传输本质上需要一种光栅化无法提供的操作，即从场景中的任何给定点询问“我周围有什么”。

为了弥补这一不足，过去几十年发明的许多重要光栅化技术通常采用预生成包含近似场景信息的数据结构，然后在着色时进行查找的方法。例如，阴影映射、烘焙光照贴图、用于反射和环境光遮蔽的屏幕空间缓冲区、光照探针和体素网格等。

然而，这些辅助数据结构的保真度有限，它们必然只包含简化的表示，因为在大多数情况下，以所需的数量和分辨率进行预计