打開電視機，點播您最喜歡的流媒體服務，然后倒上一杯可樂。這個時代最重要的視覺技術已融入生活的方方面面。

在過去 15 年算力飛速增長的推動下，路徑追蹤已經(jīng)席卷了整個視覺媒體領域。

它為電影大片帶來了各種大型效果、為最令人沉浸的情節(jié)劇添加了美妙的光影效果，并將動畫藝術推向新的高度。

而這還只是冰山一角。

路徑追蹤（Path tracing）正在邁向實時化，它將實現(xiàn)充滿動態(tài)光影、反射和折射的逼真交互式 3D 環(huán)境。

什么是路徑追蹤？這個概念其實非常簡單，它連接著 500 年以來的藝術和科學領域創(chuàng)新者。

光柵化與光線追蹤之間有什么區(qū)別？

首先要了解一些術語的定義，以及現(xiàn)在如何使用它們創(chuàng)建交互式圖形，這些圖形能夠對用戶輸入做出實時反應，比如在視頻游戲中。

第一個術語是光柵化（rasterization），這項技術可以從單視點生成圖像，從一開始就是 GPU 的核心?，F(xiàn)代 NVIDIA GPU 每秒可以生成超過 1000 億個光柵化像素，這使光柵化成為實時圖形（如游戲）的理想選擇。

光線追蹤技術比光柵化更強大。它不再局限于從一個點上看到的圖像，而是可以確定從許多不同的點和方向看到的圖像。從 NVIDIA Turing 架構開始，NVIDIA GPU 就一直在提供能夠加速這種困難計算的專用 RTX 硬件。如今，單個 GPU 每秒可以追蹤數(shù)十億條光線。

追蹤所有這些光線能夠比光柵化更精確地模擬光線在現(xiàn)實世界中的散射情況。但我們還必須回答以下問題：如何模擬光線以及如何把這項技術應用于 GPU？

什么是光線追蹤？故事要從細繩開始講起

更好地回答這個問題需要先來了解這項技術的發(fā)展過程。

NVIDIA 圖形學研究副總裁 David Luebke 喜歡從 16 世紀北歐文藝復興時期最重要的人物之一阿爾布雷希特·丟勒（Albrecht Dürer）開始講起，丟勒使用繩子和砝碼在二維表面上復制出三維圖像。

丟勒一生致力于將古典和現(xiàn)代數(shù)學與藝術相結合，在表現(xiàn)力和現(xiàn)實主義方面取得了突破性的成就。

跟著繩子：阿爾布雷希特·丟勒在《測量論》（紐倫堡，1525年，f15）中首次描述了現(xiàn)在被稱為“光線追蹤”的技術。這項技術可以在二維表面上準確表示三維物體。

在 1525 年的《測量論》中，丟勒成為了第一個描述光線追蹤概念的人。了解丟勒如何描述這個概念是理解它的最簡單方法。

想一想光如何照亮周圍的世界。

現(xiàn)在想象一下，用一根丟勒所使用的細繩從眼睛往后追蹤這些光線，一直到與光線互動的物體。這就是光線追蹤。

將光線追蹤引入計算機圖形學

Turner Whitted 在 1979 年發(fā)表的論文《用于陰影顯示的改進型光照模型》點燃了光線追蹤的復興。

1969 年，在丟勒去世 400 多年后，IBM 的 Arthur Appel 展示了如何將光線追蹤概念引入計算機圖形學，并應用于計算可見度和陰影。

十年后，Turner Whitted 率先展示了這一概念如何捕捉反射、陰影和折射，解釋了這一看似簡單的概念如何使更復雜的計算機圖形成為可能。這項技術在接下來的幾年里迅速發(fā)展。

1984 年，盧卡斯影業(yè)的 Robert Cook、Thomas Porter 和 Loren Carpenter 詳細介紹了光線追蹤如何將運動模糊、景深、半影、半透明和模糊反射等許多常見的電影制作技術結合到一起。在此之前，這些技術在計算機圖形中都無法實現(xiàn)。

Jim Kajiya 在 1986 年發(fā)表的論文《渲染方程》中不僅提出了描述光線如何在場景中移動的簡練物理學方程，還概述了如何高效地應用該方程。

兩年后，加州理工學院教授 Jim Kajiya 在一篇簡短的七頁論文《渲染方程》中通過光線追蹤將計算機圖形與物理學相聯(lián)系，并介紹了路徑追蹤算法，這使得準確描繪光線在場景中的散射方式成為可能。

什么是路徑追蹤？

在開發(fā)路徑追蹤的過程中，Kajiya 從不相關的領域獲得了啟發(fā)——對輻射換熱的研究，或者說熱如何在整個環(huán)境中傳播。該領域的一些概念啟發(fā)他發(fā)布了描述光線如何穿過空氣和從表面散射的渲染方程。

渲染方程只有寥寥幾行，但卻不容易解出。計算機圖形場景很復雜，數(shù)十億三角形在今天并不罕見。但由于沒有辦法直接解出渲染方程，Kajiya 提出了第二個關鍵創(chuàng)新。

Kajiya 證明了統(tǒng)計技術可以用來解出渲染方程。即使沒有直接解出該方程，也有能夠沿著單個光線的路徑求解。如果能夠沿著足夠多的光線路徑解出該方程，就能準確模擬場景中的照明，生成逼真的圖像。

那么如何沿著射線的路徑解出渲染方程？答案是光線追蹤。

Kajiya 使用的統(tǒng)計技術被稱為蒙特卡洛積分，可以追溯到計算機誕生之初的 1940 年代。開發(fā)用于路徑追蹤的改進型蒙特卡洛算法至今仍是未被解決的研究問題；NVIDIA 的研究人員處于該領域的最前沿，他們定期發(fā)布提高路徑追蹤效率的新技術。

通過結合這兩個概念（使用以物理學為基礎的方程描述光線在場景中的移動方式，并使用蒙特卡洛模擬幫助選擇可控數(shù)量的光源返回路徑），Kajiya 提出了日后成為生成逼真計算機生成圖像標準的基本技術。

他的方法反映了光線在現(xiàn)實世界中移動時的物理規(guī)律，將由各種不同渲染技術主導的領域，轉變?yōu)榭梢允褂煤唵?、強大的算法重現(xiàn)大量高度真實視覺效果的領域。

路徑追蹤進入電影行業(yè)

1987 年發(fā)布的路徑追蹤在之后的幾年被視為一種巧妙的技術，同時也是當時已知的最準確方法，但它完全不實用。Kajiya 原始論文中的圖像只有 256×256 像素，但卻在昂貴的微型計算機上花了 7 個多小時才完成渲染，而這臺計算機的性能遠超大眾使用的計算機。

但隨著摩爾定律推動著算力的提高，這項技術變得越來越實用。摩爾定律認為芯片制造商每 18 個月就會將微處理器上的晶體管數(shù)量增加一倍，使算力成倍增長。

從 1998 年的《蟲蟲危機》等電影開始，光線追蹤在越來越多電影中被用于增強計算機生成圖像。2006 年，第一部完全采用路徑追蹤的電影《怪怪屋》震驚了觀眾。這部電影使用了 Solid Angle SL（后來被Autodesk收購）和索尼圖形圖像運作公司（Sony Pictures Imageworks）共同開發(fā)的 Arnold 軟件渲染。

該電影上映后大受歡迎，全球總票房超過了 1.4 億美元。它讓人們看到了新一代計算機動畫的可能性。隨著算力的提高，越來越多的電影開始依賴這項技術，它所生成的圖像往往與攝像機拍攝的圖像毫無區(qū)別。

問題在于渲染單張圖片仍然需要幾個小時，而龐大的服務器集合，即“渲染農(nóng)場”要連續(xù)運行數(shù)月來渲染圖片，才能制作出一部完整的電影。因此，這項技術需要取得巨大的突破才能應用于實時圖形。

路徑追蹤在游戲中的應用

多年前，路徑追蹤一直無法應用于游戲。雖然許多游戲開發(fā)者表示，會想要在路徑追蹤的性能可以滿足實時圖形需求時使用這項技術。但由于當時的性能與實時圖形的要求相距甚遠，路徑追蹤似乎無法實現(xiàn)。

隨著 GPU 變得越來越快以及如今 RTX 硬件的普及，實時路徑追蹤就在眼前。就像電影在轉向路徑追蹤之前開始融入一些光線追蹤技術一樣，游戲也已經(jīng)開始用有限的方式使用光線追蹤。

現(xiàn)在，越來越多的游戲都在某些方面使用了光線追蹤。它們將傳統(tǒng)的光柵化渲染技術與部分光線追蹤效果相結合。

那么這里的路徑追蹤指的是什么？它可能指各種技術的混合。游戲開發(fā)者可以光柵化主光線，然后對場景照明進行路徑追蹤。

光柵化相當于從單個點投射一組光線，這組光線會在集中的的第一個事物上停止。光線追蹤更進一步，可以將來自多個點的光線投射至任何方向。路徑追蹤模擬光的真實物理特性，將光線追蹤作為更大照明模擬系統(tǒng)的組成部分。

這意味著場景中的所有照明均使用蒙特卡洛或其他技術隨機采樣，包括對物體或角色的直接照明，以及照亮房間或間接照明環(huán)境的全局照明。

僅通過一次反彈追蹤光線做不到這一點，它需要通過多次反彈追蹤光線，甚至可能要像 Kajiya 所描述的那樣追溯光源。

一些游戲已經(jīng)在這樣做了，而且效果非常好。

微軟已經(jīng)發(fā)布了將路徑追蹤應用于《我的世界》中的插件。

《Quake II》這部經(jīng)典的射擊游戲也憑借新的插件實現(xiàn)了完整的路徑追蹤，這種類型的游戲往往是應用了高級圖形技術的沙盒游戲。

顯然，這個領域還有很長的路要走，游戲開發(fā)者需要知道客戶擁有路徑追蹤游戲體驗所需的算力。

游戲需要有高質量的視覺效果以及與反應迅速的游戲玩家進行互動的速度，因此是最具挑戰(zhàn)性的視覺計算項目。

期待著這個領域的開創(chuàng)性技術能夠延伸到數(shù)字生活的方方面面。

未來趨勢

隨著 GPU 性能的不斷增強，路徑追蹤的應用順理成章地成為了下一個趨勢。

憑借 Autodesk 的 Arnold、Chaos Group 的 V-Ray 或皮克斯的 Renderman 等工具以及強大的 GPU，產(chǎn)品設計師和建筑師使用光線追蹤在幾秒鐘內就能生成逼真的產(chǎn)品模型，這使他們能夠更好地開展合作并跳過昂貴的原型設計。

隨著 GPU 算力的提升，視頻游戲已成為光線追蹤和路徑追蹤的下一個前沿領域。

2018 年，NVIDIA 發(fā)布了 NVIDIA RTX。這項光線追蹤技術使游戲開發(fā)者實現(xiàn)了實時、電影級的渲染。

NVIDIA RTX 包括在 NVIDIA Ampere 和 Turing 架構 GPU 上運行的光線追蹤引擎，支持通過多種接口支持光線追蹤。

NVIDIA 已經(jīng)與微軟合作，通過微軟的全新 DirectX 光線追蹤（DXR）API 實現(xiàn)對 RTX 的全面支持。

此后，NVIDIA 繼續(xù)開發(fā) NVIDIA RTX 技術，越來越多的開發(fā)者創(chuàng)造出支持實時光線追蹤的游戲。

《我的世界》甚至支持實時路徑追蹤，將塊狀的沉浸式世界變成了被光影籠罩的沉浸式景觀。

日益強大的硬件以及軟件工具和相關技術的激增將繼續(xù)推動這項技術的發(fā)展。

游戲、虛擬世界、甚至在線協(xié)作工具等數(shù)字體驗將呈現(xiàn)如同好萊塢大片一般的電影級品質。

目前您在生活中體驗到的視覺技術只代表身邊世界的未來趨勢之一。

審核編輯：湯梓紅