對(duì)大家來說，光線追蹤是一項(xiàng)既熟悉又陌生的技術(shù)。說熟悉，是因?yàn)榭赡艽蠹移鋵?shí)都見過；說陌生，是因?yàn)槌擞?jì)算機(jī)圖形領(lǐng)域的專家，真正了解該技術(shù)的人可能為數(shù)不多。

現(xiàn)代電影有賴于光線追蹤技術(shù)來生成或強(qiáng)化特效，包括逼真的反射、折射和陰影效果。正是由于運(yùn)用了這些效果，才使得史詩級(jí)科幻片中的星際戰(zhàn)斗機(jī)如此栩栩如生。光線追蹤能夠助力打造令人血脈噴張的飆車場(chǎng)景，也能使戰(zhàn)爭(zhēng)片的火焰、煙霧和爆炸場(chǎng)景更加真實(shí)。

光線追蹤生成的影像與攝影機(jī)拍攝的影像很難區(qū)分開來。真人動(dòng)作電影將計(jì)算機(jī)生成的效果與真實(shí)拍攝的影像無縫融合，而動(dòng)畫電影則能夠通過光線和陰影隱藏用數(shù)字方式生成的場(chǎng)景，以達(dá)到如攝影機(jī)拍攝般的逼真效果。

什么是光線追蹤？

想了解光線追蹤，你可以環(huán)顧四周，找到被光線照亮的物體，沿著到達(dá)視點(diǎn)的光線反方向進(jìn)行追蹤，就是光線追蹤。

如果你最近去過電影院，就能實(shí)際見到光線追蹤。

但在過去，計(jì)算機(jī)硬件的速度不夠快，無法做到實(shí)時(shí)。比如在視頻游戲中，電影制作人渲染單個(gè)幀的時(shí)間可能很長，因此他們會(huì)在渲染農(nóng)場(chǎng)中離線渲染。而視頻游戲畫面轉(zhuǎn)瞬即逝。因此，人們依賴于另一種技術(shù)來處理大部分實(shí)時(shí)圖形，即光柵化。

什么是光柵化？

長期以來，實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)圖形一直使用一種稱為“光柵化”的技術(shù)在二維屏幕上顯示三維物體。該技術(shù)速度快，且效果足夠好，盡管它仍然無法達(dá)到光線追蹤所能達(dá)到的水平。

借助光柵化技術(shù)，可通過虛擬三角形或多邊形網(wǎng)格來創(chuàng)建物體 3D 模型。在這種虛擬網(wǎng)格中，每個(gè)三角形的頂點(diǎn)與大小及形狀不同的其他三角形的頂點(diǎn)相交。每個(gè)頂點(diǎn)關(guān)聯(lián)著大量信息，包括其在空間中的位置以及有關(guān)顏色、紋理及其“法線”（normal）信息，這些信息可用于確定物體表面的朝向。

計(jì)算機(jī)隨后將 3D 模型中的三角形轉(zhuǎn)換為 2D 屏幕上的像素或點(diǎn)。根據(jù)存儲(chǔ)在三角形頂點(diǎn)中的數(shù)據(jù)，能為每個(gè)像素分配一個(gè)初始顏色值。

進(jìn)一步的像素處理或“陰影處理”包括根據(jù)場(chǎng)景中光照與像素的碰撞來改變像素顏色，以及將一個(gè)或多個(gè)紋理應(yīng)用于像素，進(jìn)而生成應(yīng)用于像素的最終顏色。

光柵化技術(shù)的計(jì)算量異常大。一個(gè)場(chǎng)景中的所有物體模型可使用多達(dá)數(shù)百萬個(gè)多邊形，4K 顯示器中有近 800 萬個(gè)像素。而且，屏幕上顯示的每個(gè)幀或圖像通常會(huì)在顯示器上每秒刷新 30 到 90 次。

此外，還要使用內(nèi)存緩沖區(qū)（為加快運(yùn)行速度預(yù)留出來的一點(diǎn)臨時(shí)空間）在屏幕上顯示之前，預(yù)先渲染這些幀。還需使用景深或“z 緩存” 存儲(chǔ)像素深度信息，以確保在屏幕上特定的像素位置會(huì)顯示最上層的物體，并隱藏其背后的物體。

這正是為什么擁有豐富圖形功能的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)游戲會(huì)依賴于性能強(qiáng)悍的 GPU。

光線追蹤有何不同？

光線追蹤技術(shù)與光柵化不同。在真實(shí)世界中，我們看到的 3D 物體被光源照亮，且光子在到達(dá)觀眾眼睛之前，可以從一個(gè)物體反射到另一個(gè)物體。

光線可能會(huì)被某些物體阻擋，形成陰影。或可能會(huì)從一個(gè)物體反射到另一個(gè)物體，比如當(dāng)我們看到一個(gè)物體的圖像反射在另一個(gè)物體表面時(shí)就是這樣。光線穿過透明或半透明物體（如玻璃或水）時(shí)會(huì)發(fā)生折射。

光線追蹤通過從我們的眼睛（或“觀景式像機(jī)”）反向追蹤光線捕捉這些效果， IBM 的 Arthur Appel 于 1969 年在《Some Techniques for Shading Machine Renderings of Solids》中首次提出了這種技術(shù)。此技術(shù)可追蹤通過 2D 視圖表面上每個(gè)像素、到達(dá)場(chǎng)景 3D 模型中的光線路徑。

十年后，業(yè)界又迎來下一個(gè)重大突破。Turner Whitte 在 1979 年發(fā)表論文《An Improved Illumination Model for Shaded Display》，闡述了如何捕捉反射、陰影和折射，他目前就職于 NVIDIA Research。

Turner Whitted 1979 年發(fā)表的論文開啟了光線追蹤的文藝復(fù)興時(shí)代，為電影領(lǐng)域帶來了變革。

利用 Whitted 的技術(shù)，當(dāng)光線投射到場(chǎng)景中的物體時(shí)，根據(jù)物體表面上碰撞點(diǎn)處的顏色和光照信息可以計(jì)算出像素的顏色和照明度。如果光線在到達(dá)光源之前反射或通過不同物體的表面，則根據(jù)所有物體的顏色和光照信息可以計(jì)算出最終的像素顏色。

20 世紀(jì) 80 年代的另外兩篇論文也同樣為計(jì)算機(jī)圖形革命奠定了知識(shí)基礎(chǔ)，掀起了計(jì)算機(jī)圖形的革命，顛覆了電影的制作方式。

1984 年，Lucasfilm 的 Robert Cook、Thomas Porter 和 Loren Carpenter 詳細(xì)介紹了光線追蹤如何結(jié)合眾多常見的電影制作技術(shù)（包括動(dòng)態(tài)模糊、景深、半影、半透明和模糊反射），而這些效果當(dāng)時(shí)還只能依靠攝影機(jī)制作。

兩年后，加州理工學(xué)院 Jim Kajiya 教授發(fā)表論文《The Rendering Equation》從物理學(xué)的角度審視了計(jì)算機(jī)圖形的生成，更好地展現(xiàn)了光線在整個(gè)場(chǎng)景中的散射方式。

這項(xiàng)研究與現(xiàn)代 GPU 的結(jié)合取得了顯著的成果，計(jì)算機(jī)生成圖像捕捉的陰影、反射和折射效果能夠以假亂真，與真實(shí)世界的照片或視頻很難區(qū)分開來。正是這種真實(shí)感讓光線追蹤開始全面進(jìn)入了現(xiàn)代電影制作領(lǐng)域。

這款由Enrico Cerica使用OctaneRender創(chuàng)建的計(jì)算機(jī)生成圖像，顯示了光線、窗戶透射的光、以及燈架上倒映在地板上和反射在相框上形成的圖像。

這種技術(shù)的計(jì)算量同樣非常大。正因如此，電影制作人才依賴大量的服務(wù)器或渲染農(nóng)場(chǎng)。而且，渲染復(fù)雜的特殊效果可能需要花上幾天甚至幾周的時(shí)間。

可以肯定的是，許多因素都會(huì)影響光線追蹤的整體圖形質(zhì)量和性能。實(shí)際上，由于光線追蹤是相當(dāng)計(jì)算密集型的，因此通常采用光線追蹤來渲染場(chǎng)景中最有助于提升視覺效果和現(xiàn)實(shí)感受的部分，而場(chǎng)景的其余部分則使用光柵化進(jìn)行渲染。光柵化仍能提供出色的圖形質(zhì)量。

光線追蹤未來將如何發(fā)展？

隨著 GPU 性能日益強(qiáng)悍，下一步理應(yīng)是讓更多人享受到光線追蹤技術(shù)帶來的好處。例如，借助光線追蹤工具（如 Autodesk 的 Arnold、Chaos Group 的 V-Ray 或 Pixar 的 Renderman）和性能強(qiáng)悍的 GPU，產(chǎn)品設(shè)計(jì)師和建筑師能夠使用光線追蹤，在幾秒內(nèi)即可生成逼真的產(chǎn)品模型，以便他們更加有效地協(xié)作，并免去了成本不菲的原型設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。

光線追蹤已經(jīng)向建筑師和照明設(shè)計(jì)師證明了它的價(jià)值所在，他們正在利用光線追蹤對(duì)光線與設(shè)計(jì)如何交互進(jìn)行建模。

隨著GPU的計(jì)算能力日益提升，視頻游戲?qū)⒊蔀榇思夹g(shù)的下一個(gè)前沿陣地。NVIDIA 在早前宣布推出 NVIDIA RTX。這是一種光線追蹤技術(shù)，可為游戲開發(fā)者提供電影級(jí)畫質(zhì)的實(shí)時(shí)渲染。它是 NVIDIA 在計(jì)算機(jī)圖形和GPU架構(gòu)領(lǐng)域經(jīng)過10年努力所取得的成果。

它包含在 NVIDIA Volta 架構(gòu) GPU 上運(yùn)行的光線追蹤引擎，支持通過各種接口進(jìn)行光線追蹤，NVIDIA 與微軟緊密合作，通過微軟新的 DirectX Raytracing (DXR) API 提供全面的 RTX 支持。

為幫助游戲開發(fā)者利用這些新功能，NVIDIA 還宣布 GameWorks SDK 將添加一個(gè)光線追蹤降噪模塊。更新版 GameWorks SDK 即將推出，其中包含光線追蹤區(qū)域陰影和光線追蹤光澤反射。

所有這一切都有助于游戲開發(fā)者等將光線追蹤技術(shù)應(yīng)用到其工作中，以創(chuàng)建更真實(shí)的反射、陰影和折射。

如此一來，玩家在家中玩游戲時(shí)便能享受到電影級(jí)畫質(zhì)、更佳的視覺效果及游戲體驗(yàn)。