实时光线追踪渲染
基于光线追踪的实时渲染技术分析
基于光线追踪的实时渲染技术分析一、基于光线追踪的实时渲染技术原理基于光线追踪的实时渲染技术是一种利用光线与场景中的物体相交来计算像素颜色的渲染方法。
其原理是通过从相机发出一条射线，与场景中的物体相交，并计算出光线与物体交点处的颜色信息。
这样，每个像素的颜色都可以通过追踪光线与场景中的物体相交来获得，从而实现高质量的渲染效果。
在基于光线追踪的实时渲染中，光线的路径追踪是一个关键的技术。
通过递归地追踪光线的路径，可以模拟出现实世界中的光照效果，包括阴影、反射、折射等。
基于光线追踪的实时渲染技术还可以有效地处理全局光照和间接光照等复杂的光照效果，使得渲染结果更加真实和细腻。
二、基于光线追踪的实时渲染技术应用基于光线追踪的实时渲染技术在游戏、电影、虚拟现实等领域有着广泛的应用。
在游戏领域，基于光线追踪的实时渲染可以实现高品质的图形效果，包括真实的光影效果、逼真的材质表现和细节丰富的场景渲染。
这种技术可以提升游戏的视觉体验，使得游戏画面更加逼真和引人入胜。
在电影领域，基于光线追踪的实时渲染技术可以帮助电影制作人员实现更高水准的视觉效果。
通过这种技术，可以创建出观众们从未见过的绚丽的场景、精美的特效和栩栩如生的角色，极大地提升了电影的视觉冲击力和观赏性。
基于光线追踪的实时渲染技术还可以在虚拟现实领域发挥重要作用。
通过这种技术，可以为虚拟现实环境带来更加真实的光影效果和材质呈现，使得用户在虚拟世界中的体验更加身临其境和令人信服。
三、基于光线追踪的实时渲染技术挑战尽管基于光线追踪的实时渲染技术具有许多优势和应用前景，但在实际应用中仍然面临着一些挑战。
性能是基于光线追踪的实时渲染技术面临的主要挑战之一。
由于基于光线追踪的实时渲染需要递归地追踪光线的路径，以及对大量的光线进行采样和计算，因此其计算复杂度非常高。
在实时渲染中，需要在每一帧中对数百万乃至数十亿条光线进行追踪和计算，这对计算资源的要求非常高。
如何有效地提升基于光线追踪的实时渲染技术的性能，是一个亟待解决的问题。
AE教程 使用光线追踪制作逼真渲染
AE教程：使用光线追踪制作逼真渲染在Adobe After Effects（简称AE）软件中，使用光线追踪技术可以为你的作品增添更加逼真的渲染效果。
光线追踪是一种模拟光线传播和反射的算法，可以在计算机生成图像中模拟出真实的光影效果。
下面将详细介绍如何在AE中运用光线追踪技术来制作逼真的渲染效果。
首先，在AE中导入你想要制作渲染效果的素材，可以是视频、图片或者合成图层。
对于视频素材，你可以选择其中的某一帧作为基础进行渲染。
接下来，在AE主界面的工具栏中找到"合成"菜单，点击"新建合成"。
根据你的需求，设置合适的合成尺寸和帧速率，并确定创建。
在新建的合成中，点击"层"菜单，选择"新建"，然后选择"空白"。
这将在合成中创建一个新的空白图层。
接着，在图层面板中，右键点击空白图层，选择"跟踪"，然后选择"光线追踪"。
在弹出的光线追踪设置对话框中，你可以选择不同的设置来优化渲染效果。
如果你对光线追踪算法非常了解，也可以在这里进行更加高级的设置。
完成光线追踪设置后，点击"确定"按钮，AE将开始对所选定的图层进行光线追踪计算。
这个过程可能需要一段时间，取决于你的电脑性能和图层的复杂程度。
光线追踪计算完成后，你将能够在合成中看到一个透明的球体图像，它代表了光线追踪计算的结果。
你可以通过点击合成面板中的光线追踪球图标来显示或隐藏光线追踪效果。
在光线追踪球图标下方的选项栏中，你可以选择不同的渲染模式和视图方式，以及调整光线追踪效果的各个参数。
这些参数包括光线追踪的强度、反射率、折射率和阴影的硬度等等。
通过调整这些参数，你可以根据需要实现各种逼真的渲染效果。
例如，增加光线追踪的强度和反射率可以产生更加明亮和光滑的表面效果；增加折射率可以模拟透明材质的光折射效果；调整阴影的硬度可以改变阴影的边缘锐度。
显卡的渲染技术光线追踪
显卡的渲染技术光线追踪显卡是计算机中的一种重要组件，用于图形渲染和处理。
近年来，随着计算机图形技术的不断发展，光线追踪成为了渲染领域中的一项重要技术。
本文将讨论显卡的渲染技术中的光线追踪算法，并介绍其在图形渲染中的应用。
一、光线追踪算法概述光线追踪算法是一种模拟光线在场景中的传播和相互作用的算法。
它通过追踪光线的路径，计算光线与场景中物体的相交点，从而决定物体表面的颜色和光照效果。
相比传统的渲染算法，如光栅化算法，光线追踪算法能够更真实地模拟光线的传播和反射行为，从而得到更逼真的图像效果。
光线追踪算法的核心思想是从相机位置发射一束光线，然后通过迭代的方式，计算光线与场景中物体的相交点。
当光线与物体相交时，根据物体表面的材质属性，计算光线的反射、折射等行为，并继续发射新的光线。
通过追踪每个光线的路径，最终得到图像中每个像素的颜色信息。
二、光线追踪算法的实现光线追踪算法实现的关键在于加速光线与物体的相交计算。
由于光线与场景中的物体可能存在大量的相交计算，传统的蛮力算法效率较低。
然而，显卡的并行计算能力提供了极大的优势，可以加速光线追踪的计算过程。
在显卡上实现光线追踪算法需要使用光线追踪的着色器程序。
这些着色器程序运行在图形渲染管线的特定阶段，如片段着色器。
通过编写适当的着色器代码，可以实现光线与物体的相交计算、光照计算等关键步骤。
另外，为了进一步提高光线追踪的效率，还可以采用一些加速结构，如包围盒层次结构（Bounding Volume Hierarchy，BVH）等。
这些加速结构通过划分场景中的物体，并建立物体之间的相对关系，可以有效减少相交计算的数量，提高计算效率。
三、光线追踪在图形渲染中的应用光线追踪技术在图形渲染中有着广泛的应用。
以下是一些典型的应用场景：1. 游戏图形渲染：光线追踪可以用于实现逼真的游戏图形效果，如实时阴影、反射、折射等。
通过光线追踪算法，游戏画面可以更真实地模拟光影效果，提升游戏的视觉表现力。
实时预览光线追踪效果
实时预览光线追踪效果Blender是一款功能强大的三维建模和渲染软件，其中光线追踪是其最为引人注目的功能之一。
通过光线追踪，我们可以在渲染过程中模拟现实世界中的光线传播，从而获得更加真实逼真的渲染效果。
然而，在传统的渲染流程中，渲染一帧通常需要花费大量的时间，这对于艺术家和设计师来说是一种挑战。
为了解决这个问题，Blender引入了实时预览光线追踪效果的功能，使我们能够在实时编辑过程中即时查看光线追踪的效果。
首先，我们需要将渲染引擎设置为Cycles。
Cycles是Blender中负责光线追踪的渲染引擎，它可以提供高质量的渲染效果。
在Blender的顶部菜单栏中，点击“渲染”→“渲染引擎”→“Cycles”。
接下来，在渲染选项中启用实时预览功能。
在右侧的渲染选项面板中，点击“实时预览”按钮，该按钮位于“性能”选项卡下方。
启用实时预览后，我们将能够看到场景中的光线追踪效果，并在实时编辑时进行交互。
现在，我们可以开始编辑场景并观察光线追踪效果的实时预览。
通过在3D视图中选择和移动物体、调整材质和光照等操作，我们可以立即看到这些修改对光线追踪效果的影响。
这使得我们能够更加方便地调整场景，优化光照和材质设置，以获得所需的渲染结果。
在进行实时预览时，我们还可以调整渲染参数以优化性能和效果。
例如，可以通过减少采样数量来加快实时预览的速度，但同时可能会降低渲染质量。
在渲染选项面板的“采样”选项卡中，调整“视口”下的采样数量，可以控制实时预览的质量和速度。
此外，Blender提供了一些实用的渲染统计信息，可以帮助我们更好地了解渲染过程和优化渲染设置。
在右侧的渲染选项面板中，点击“统计”选项卡，我们可以看到有关渲染时间、采样数量等信息。
这些统计数据对于优化实时预览和最终渲染设置非常有帮助。
需要注意的是，实时预览光线追踪效果需要一定的计算资源支持。
在较低配置的计算机上，实时预览可能会变得相对缓慢。
因此，在进行复杂场景的实时预览之前，最好确保计算机具备足够的性能。
实现光线追踪效果 Blender渲染引擎选取与设置
实现光线追踪效果：Blender渲染引擎选取与设置Blender是一款强大的开源3D建模和渲染软件，它提供了各种渲染引擎供用户选择。
其中，光线追踪渲染引擎是实现逼真效果的关键。
本文将介绍如何选取和设置Blender中的光线追踪渲染引擎，帮助你在渲染场景时获得更好的结果。
1. 选择正确的渲染引擎Blender提供了多个渲染引擎，包括Cycles和Eevee。
在实现光线追踪效果时，我们通常选择Cycles渲染引擎。
Cycles是一种基于路径追踪的渲染引擎，可以模拟光线在场景中的传播和反射，提供逼真的渲染效果。
2. 设置渲染引擎参数在选择了Cycles渲染引擎后，我们需要设置一些参数来优化渲染效果。
首先，点击Blender界面的渲染选项卡，展开渲染引擎设置。
在Device选项中，选择使用GPU进行渲染可以提高渲染速度。
如果你的电脑没有独立显卡或显卡性能较差，可以选择CPU进行渲染。
3. 调整光线路径追踪参数光线追踪的逼真效果与追踪路径的数量有关。
在渲染选项面板的Sampling子面板中，我们可以调整最大反射和折射次数，以控制光线在场景中的传播。
增加反射和折射次数可以获得更真实的反射效果，但也会增加渲染时间。
根据场景的复杂程度和要求，我们可以适当调整这些参数。
4. 使用光源和材质光源和材质是实现光线追踪效果的关键因素。
在Cycles渲染引擎中，我们可以使用各种类型的光源，包括点光源、平行光源和区域光源，以及物理正确的材质来模拟真实世界的光效。
通过调整光源的强度、位置和方向，以及材质的属性和纹理，可以实现各种逼真的光照效果。
5. 添加环境光和背景环境光和背景负责场景的整体照明和背景效果。
在Cycles渲染引擎中，我们可以在渲染选项面板的World子面板中添加环境光和背景。
通过调整环境光的强度和颜色，以及添加HDR贴图作为背景，可以为场景增添逼真的氛围。
6. 使用渲染技巧在使用光线追踪渲染引擎时，还可以运用一些渲染技巧来提高渲染效果和效率。
解析电脑显卡的实时渲染和全局光照技术
解析电脑显卡的实时渲染和全局光照技术电脑显卡是实现图形渲染和显示的关键组件之一。
其中，实时渲染和全局光照技术在提升图形质量和真实感方面具有重要作用。
本文将解析电脑显卡的实时渲染和全局光照技术。
一、实时渲染技术实时渲染是指在计算机图形学中，以每秒帧率（FPS）为单位，实时生成并渲染图像的过程。
电脑显卡通过硬件加速和优化算法，实现了高效的实时渲染。
1. 渲染管线电脑显卡的渲染管线是实时渲染的核心组成部分。
渲染管线包括几何处理、光栅化、着色和输出等阶段。
在几何处理阶段，通过顶点着色器对几何图形进行变换和处理；在光栅化阶段，将几何图形转化为像素，并进行裁剪和遮挡检测；在着色阶段，通过像素着色器对各像素进行着色；最后，在输出阶段将渲染结果输出到显示器上。
2. 硬件加速为了提高实时渲染的性能，电脑显卡采用了硬件加速的技术。
显卡中的图形处理器（GPU）具有并行计算和专门的渲染功能，能够同时处理多个像素和顶点。
此外，显卡还配备了高速图形存储器和纹理单元，以支持更复杂的图形效果。
3. 优化算法电脑显卡中的实时渲染还依赖于各种优化算法。
例如，颜色压缩算法可以减少颜色数据传输和存储的开销；裁剪与遮挡算法可以提高渲染效率；纹理压缩和渲染分辨率降低等技术也可以提高实时渲染的帧率和效果。
二、全局光照技术全局光照技术是实现真实感渲染的重要方法之一。
它模拟了光线在场景中的传播和相互作用过程，使得渲染结果更加逼真和细腻。
1. 光线追踪光线追踪是全局光照技术的核心算法。
通过从相机发射光线，并追踪其在场景中的传播和反射，光线追踪算法可以计算出每个像素的颜色和亮度。
这种方法能够模拟真实世界中的光线传播，产生逼真的阴影、反射和折射效果。
2. 辐射度辐射度是描述光照能量密度的物理量。
在全局光照计算中，辐射度的概念被引入，用来描述光线对场景物体的照射强度。
通过计算每个像素的辐射度，可以得到更真实的光照效果。
3. 环境光遮蔽环境光遮蔽是一种模拟光线在场景中传播时遇到遮蔽物而受阻的效应。
电脑显卡的实时光线追踪技术解析
电脑显卡的实时光线追踪技术解析随着科技的不断进步和发展，电脑显卡逐渐扮演着越来越重要的角色。
它们不仅仅是将信息从电脑发送到显示器的媒介，还承担着在电脑图像渲染中起到至关重要作用的任务。
而其中最引人瞩目的技术之一就是实时光线追踪技术。
一、实时光线追踪技术的概述实时光线追踪技术（Real-time Ray Tracing）是一种广泛应用于计算机图形学中的渲染技术。
它通过模拟真实世界中光线的传播和反射，呈现出更逼真、更真实的图像效果。
与传统渲染技术相比，实时光线追踪技术能够提供更加精确的光照效果和阴影效果，从而增强了图像的真实感和细腻度。
二、实时光线追踪技术的原理与应用实时光线追踪技术的原理主要包括了光线的发射、光线的追踪、光线的相交和光线的反射等几个关键步骤。
首先，计算机会发射光线，这些光线会从光源或者物体表面发射出去。
然后，计算机会追踪这些光线在场景中的传播路径，包括光线与物体的碰撞以及光线的路径延伸。
接着，计算机会计算光线与物体的相交点以及光线被物体表面反射的颜色。
最后，计算机会利用这些信息来绘制出最终的图像。
实时光线追踪技术主要得益于计算机硬件的不断进步和发展。
现代显卡通过集成大量的计算单元和高性能的处理器，能够快速并行地处理光线追踪算法，从而实现实时渲染。
该技术在游戏、影视特效、虚拟现实和工程设计等领域得到了广泛应用。
三、实时光线追踪技术的优势与挑战实时光线追踪技术相较于传统的渲染技术具有明显的优势。
首先，它能够提供更加真实、逼真的光照效果，使得图像更加细致与真实。
其次，实时光线追踪技术能够更好地模拟光线在场景中的传播和反射，从而产生更加精确的阴影和反射效果。
此外，它还能够简化传统渲染技术中艰难复杂的光照计算，提高图像渲染的效率。
然而，实时光线追踪技术也面临着一些挑战。
首先，该技术对硬件的要求较高，需要显卡具备强大的计算能力和高速的数据传输能力。
其次，实时光线追踪算法的计算复杂度较高，需要较长的计算时间。
基于光线追踪的实时渲染技术分析
基于光线追踪的实时渲染技术分析光线追踪是一种基于物理原理的渲染算法，它模拟了光线在真实世界中的传播和相互作用过程，从而产生逼真的光照效果。
相比传统的渲染算法，光线追踪能够更精确地模拟光线的反射、折射、散射等现象，因此能够呈现出更真实的表面材质和光照效果。
在实时渲染中，由于时间的限制，光线追踪算法需要进行一些优化，以实现即时的渲染效果。
以下是一些常用的光线追踪实时渲染技术：1. 辅助算法为了加速光线追踪算法的计算速度，可以使用一些辅助算法来优化渲染过程。
使用包围体层次结构（Bounding Volume Hierarchy）来优化光线与场景中物体的相交判断，快速剔除不可见的物体和区域，从而减小计算量。
2. 实时阴影处理光线追踪可以生成更真实的阴影效果，但对于实时渲染来说，实时生成阴影是一个挑战。
为了实现实时阴影效果，可以使用一些近似算法，如阴影贴图、平行光源阴影映射等方法，有效地模拟阴影效果，并减少计算量。
3. 细节着色为了增加渲染物体的细节并减少渲染计算量，可以使用一些细节着色的技术。
法线贴图可以在低多边形模型上模拟出高多边形模型的细节，从而增加模型的真实感，并且不增加额外的几何计算。
4. 屏幕空间光线追踪为了进一步提高实时渲染的效率，可以将光线追踪的计算限制在屏幕空间中进行。
屏幕空间光线追踪可以有效地减少计算量，并且可以与传统的图形渲染管线结合使用，从而达到实时渲染的效果。
5. GPU加速由于光线追踪算法的计算密集型特性，使用GPU进行并行计算可以显著提高渲染速度。
利用GPU的并行计算能力，可以同时计算多条光线的传播路径，从而大幅度加快渲染速度，并实现实时渲染。
基于光线追踪的实时渲染技术通过一系列的优化手段，如辅助算法、实时阴影处理、细节着色、屏幕空间光线追踪和GPU加速等，实现了逼真的光照效果和实时渲染性能。
这些技术的应用使得光线追踪成为了一种非常有潜力的实时渲染算法，并在游戏、电影等领域得到了广泛的应用。
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1 引言经历了多年发展, 直到本世纪初, 以影视CG为典型代表的离线渲染(非实时渲染) 技术终于能达到真假难辨的程度, 而一脉相承的实时渲染在应用上距离这一目标无疑还有所欠缺。
实时光线追踪, 可能就是这欠缺中的关键一环。
将当前的实时渲染技术与离线渲染技术相比较, 二者在模型细节、纹理效果、材质表现和基本光影等方面所呈现出的视觉效果的差异已经不再明显。
得益于硬件性能的不断提高, 越来越多的曾经只能用于离线渲染的技术和方法也已经应用于实时渲染以获得更加逼真的显示效果。
2 定义与简介在自然界中，光源发出的光线会不断地向前传播，直到遇到一个妨碍它继续传播的物体表面——把“光线”看作在一串在同样路径中传输的光子流的话，在完全的真空中，这条光线将是一条标准的直线。
但是实际上，由于大气折射，引力效应、材质反射等多种因素——在现实中，光子流实际上是会被吸收、反射与折射的——物体表面可能在一个或者多个方向反射全部或者部分的光线，并有可能吸收部分光线，使得最终光线以种种形式，不同的强度，反射或者折射进人的眼睛。
不过，这一点在计算机图形学中却有所不同——作为三维计算机图形学中的特殊渲染算法，光线追踪的原理颇有把物理中“光线追踪”方法反过来用的意味——它通过将光的路径跟踪为图像平面中的像素并模拟其与虚拟对象的相遇来生成图像，从而产生高度拟真的光影效果，还可以轻松模拟各种光学效果（例如反射和折射，散射和色散现象（例如色差））——唯一的缺点，就是它相对较高的计算成本了。
光线追踪主要思想是从视点向成像平面上的像素发射光线，找到阻挡光线传播的最近物体，如果交点表面为散射面，则计算光源直接照射该点产生的颜色；如果该交点表面为镜面或折射面，则继续向反射或折射方向跟踪另一条光线，如此往复循环，直到光线射出场景或者达到规定计算次数（还是为了节省资源）。
这个方法被称之为经典光线跟踪方法或者递归式光线追踪方法。
利用Compute Shader，屏幕的每个像素点向外释放一条射线来采样颜色，利用光线可逆的原则，每条光线根据碰撞到的物体进行反射，如此反复直到采样到天空盒（无限远）或者达到最大的反射次数。
运用光线追踪技术，有以下渲染特性：•更精确的反射、折射和透射。
•更准确的阴影。
包括自阴影、软阴影、区域阴影、多光源阴影等。
•更精准的全局光照。
•更真实的环境光遮蔽（AO）光线追踪技术可以精确地反映复杂的反射、折射、透射、阴影、全局光等物理特性。
当然，光线追踪也不是万全的渲染技术，它有苛刻的硬件要求、有限度的渲染特性支持以及噪点干扰等负面特点。
2 种类与发展历程要想了解光线追踪,就必须先从“光栅化渲染技术”讲起。
到实际渲染中理解光栅化的过程:虚拟场景中的每一个模型都是由构成它的许多三角面组成的, 若要将模型中的一个三角面显示在屏幕上, 首先在先判定三角面的三个顶点在视场中的位置并将其坐标变换对应到屏幕坐标, 然后将三个顶点涵盖的区域 (像素) 进行填充。
由此可见, 光栅化方法能够将复杂的场景内容拆分成为一个个由若干像素组成的相对独立的计算单元。
通过这种方式可以充分利用GPU的多线程渲染流水线, 即通过在GPU上并行完成大量的简单计算实现快速渲染的目的。
光栅化技术的这种拆分计算导致这以种方法处理一些全局效果时遇到很大的困难。
影响场景的全局效果主要是场景中光影的交互效果, 比如全局光照、阴影、反射、折射等。
因为这些效果都不是由单一对象构成的, 比如阴影就属于光源和遮挡物体作用在被遮挡物体上形成的, 被光栅化拆分到不同计算单元中的这些元素或物体部分就很难再去实现交互影响的计算。
前人为了克服其短板用其他手段模拟阴影等效果, 取得了很多成果却也导致渲染复杂度的攀升。
光栅化的渲染方法应用至今, 为了渲染出更真实的画面, 其复杂程度早已今非昔比, 相当多的渲染技术甚至需要脱离常人认知层次专业级的数学功底才能理解, 但其在实现以假乱真的视觉效果上还是差强人意。
光栅化渲染方式的最大弊端就是不能模拟现实中光线的传播规律, 导致在模拟光影效果方面的严重不足。
正是为了克服光栅化渲染方式的这一缺憾, 以真实光线传播规律为基础的光线追踪渲染方法被越来越多的使用起来。
其实光线追踪并不是近几年才有的概念，它的历史甚至可以追溯到上世纪70年代。
Arthur Appel 于 1968 年提出将光线追踪算法应用于图片渲染的概念，那时还叫 ray casting，这也是后来光线追踪的基石。
但一直等到 10 年后的 1979 年，Turner Whitted才继续在论文An Improved Illumination Model for Shaded Display中，具体解析如何捕捉反射、阴影和反射。
在光线投射的基础上，加入光与物体表面的交互。
而在电影行业中，早就用上了我们提及的光线追踪，他们已经有相当成熟的解决方案，完全可以达到以假乱真的效果，你看看漫威的科幻大片，是不是给你一种异常真实的错觉？没错，这就是光线追踪的魅力。
至于为什么电影行业能这样做，原因不外乎有两个：一是有时间，他们采用的离线光线追踪，是要慢慢一帧帧渲染出来；二是有钱，通常特效工作室会使用到NVIDIA所说的渲染农场，不是一台电脑在算，而是一个个渲染集群服务器在工作。
早在上世纪60年代，美国科学家已经尝试将光线投射应用于军事领域的计算机图形生成。
随着技术的成熟，很快应用于好莱坞电影及动漫制作。
目前，绝大多数需要后期特效的好莱坞电影，除了风格化的类型之外，基本都使用了光线追踪技术。
计算器以足够快的速度生成一系列图像以实现交互的过程称为实时渲染。
实时渲染的目标是匹配显示器的刷新率，使视觉效果平顺——所以我们说的是 60 赫兹 = 60 帧每秒(帧/秒)的游戏和 VR。
(24 或 30 帧每秒通常被称为“实时”，但技术上与电影和电视帧率有关。
)光线追踪通常有以下几种方式：2.1 反向光线追踪最典型的光线追踪渲染应用方式, 并不是采用沿着光线传播的方向从光源开始模拟, 而是根据光线直线传播的可回溯性特质, 从观察者角度“穿透”屏幕发射“光线”。
当发射的“光线”触碰到场景中的第一个物体, 那么这个物体被“光线”碰触到的点就是未被遮挡的, 而后“光线”遵从光学传播原理经过一系列的反射、折射若能到达一处光源, 那么这条光线碰触的部分就是被此光源“照亮”的, 否则就属于阴影的一部分。
而后渲染器就能以此为根据为这束“光线”在屏幕上的对应位置 (通常以像素点为单位) 着色。
这种反向追踪的方法避免了去计算那些在正向光线追踪 (从光源追踪光线) 时, 最终不会到达观察者 (即不需要显示在屏幕上) 的光线, 节省了大量不必要的计算内容。
2.2 蒙特卡洛光线追踪典型的反向光线追踪方法, 虽然利用了物理原理构建了理论方案, 但相对于现实中的复杂情况, 这一模拟方案就显得有些简单粗暴了。
它主要存在两个方面问题: (1) 仅能处理镜面反射、规则投射和遮挡阴影, 忽略了漫反射; (2) 由于模拟的光能传递属于理想表面之间的, 所有基于这个方法的物体表面属性其实是单一的。
为了改善上述问题, 在反向光线追踪的基础之上, 引入物体表面的漫反射属性, 从概率理论出发去决定到达物体表面的光线是要进行反射、折射还是漫反射。
同时为了应对引入表面属性造成的光线采样增多问题, 进一步利用概率理论进行简化, 用少量相对重要的光线采样来模拟积分结果。
这种改进方法的具体方案有很多种形式, 他们统称为蒙特卡洛光线追踪。
相对于典型的反向光线追踪, 蒙特卡洛光线追踪引入了更复杂的漫反射材质, 这导致了需要跟踪的光线数量大幅增加, 于是通过采样算法去减少需要跟踪的光线数量。
现在, 具有相对成熟的采样模型的蒙特卡洛光线追踪算法已经具备相当高的运行效率, 一度使得光线追踪走出专业图形工作站甚至可以在家用级别的硬件上使用。
2.3 双向光线追踪利用反向光线追踪可以较好地表现出反射和折射的效果, 还能得到真实度很高的阴影。
但是经过大量的理论分析及实践, 人们知道采用这种方式还不能足以体现现实世界中绝大多数的光影效果。
物体间的多重漫反射、颜色渗透、焦和柔和阴影等现象都不能在仅使用反向光线追踪方式的渲染结果中得到。
另外, 鉴于反向光线跟踪离散式的对待不同像素对应采样光线的跟踪计算, 导致必然会有一定量的重复计算。
为了提升画面效果而增加采样光线数量时, 其中大幅增加的重复计算也让反向光线跟踪失去了原本简洁高效的优势。
真正符合现实实际的正向光线追踪又被重新纳入考虑范畴。
光线由光源发出, 在场景中的每一次光能转化都被记录, 而后只要收集这些信息就可以知道任意点上面的亮度。
只要进行足够次数的光能转化计算和相应的颜色处理, 就能以极高的拟真性表现出焦散、颜色渗透、柔和阴影等真实光影现象。
若能在正向光线跟踪的基础上, 使用反向光线跟踪的采样思想, 就能一定程度的规避正向追踪庞大计算量造成的实际应用困境。
这种综合运用正、反向光线追踪的技术方案, 统称双向光线追踪。
2.4 光子图在每一次渲染中都同时进行一次细致的正、反向光线追踪理论上能获得最接近真实的光影效果, 但这是不切实际的, 至少以目前计算机的运算处理能力还远远不能满足设想。
于是有人提出, 在场景中物体和灯光不变的情况下, 可以用单次正向光线跟踪的计算结果根据观察视角的变化进行多次的、动态的反向光线跟踪渲染。
这样, 不仅使渲染画面具备了正向光线跟踪光影表现更真实可信的有点, 还能剔除单纯反向跟踪难以避免的重复采样, 极大提升了渲染效率。
存储下来的这次正向光线跟踪结果, 通常称之为光子图。
4 实现基础光栅化是早期受限于硬件局限的妥协之策, 不论是从基础原理上脱离物理现实的缺憾, 还是后人为了在光栅化基础上模拟实现其他光影效果使光栅技术整体呈现臃肿的现状, 都导致光栅化并不适用于对虚拟场景逼真效果的要求进一步提升的未来。
想要大幅缩减光线追踪的时间成本还应该主要从算法优化和硬件水平提升两个方面着手。
3.1 算法方面光线追踪计算中判定空间中光线与物体碰撞的计算部分 (求交计算) 是耗时最多的计算部分。
如果不采取加速措施, 求交计算将占整个光线追踪耗时的95%以上。
因此, 大部分算法优化都是针对求交计算试图减少其总开销, 而具体实现思路又分以下三种方向。
(1) 通过快速排除与求交计算无关的物体, 可以大幅减少单次光线追踪涉及的求交测试数量, 有效提升单次求交运算的效率。
典型方法有空间剖分技术、层次盒包围技术和方向技术。
(2) 通过减少单次光线的碰撞计算数量, 可以大幅减少求交计算总数, 有效控制计算总量。
主要思路是光线经过物体反射后会丧失能量, 在与光线吸收能力强的表面或多次碰撞后, 光线能量降低对场景照明的贡献很少, 此时就不在继续对这条光线的求交计算。