在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域，有一種技術(shù)能夠模擬光線在三維場(chǎng)景中的物理行為，從而生成高度逼真的圖像，這就是光線追蹤。光線追蹤的原理是從觀察者的眼睛或者虛擬相機(jī)發(fā)出一條光線，然后追蹤這條光線在場(chǎng)景中與物體的相交、反射、折射等過程，最終計(jì)算出這條光線的顏色和亮度。通過對(duì)每個(gè)像素重復(fù)這個(gè)過程，就可以得到整個(gè)圖像的渲染結(jié)果。

光線追蹤的歷史

光線追蹤的概念最早可以追溯到20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)一些科學(xué)家和藝術(shù)家開始探索用計(jì)算機(jī)生成圖像的方法。從那時(shí)起光線追蹤技術(shù)經(jīng)歷了幾個(gè)重要的發(fā)展階段，分別是：

射線投射（ray casting）：這是最簡(jiǎn)單的光線追蹤方法，它只考慮光線與物體表面的第一次相交，而忽略了光線之間的相互作用。美國(guó)物理學(xué)家阿瑟·阿彭海姆（Arthur Appel）于1968年提出了這種算法，它可以從一個(gè)視點(diǎn)向場(chǎng)景中投射一組平行的光線，并計(jì)算它們與物體表面的交點(diǎn)和顏色。這種方法雖然簡(jiǎn)單而有效，但是它不能處理陰影、反射、折射等效果。遞歸式光線追蹤（recursive ray tracing）：這是一種更加真實(shí)而復(fù)雜的光線追蹤方法，它可以模擬光線在場(chǎng)景中反射和折射的過程，并考慮陰影、鏡面反射、透明度等效果。美國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)家透納·惠特德（Turner Whitted）于1979年在阿彭海姆的基礎(chǔ)上提出了這種算法，它可以從觀察者的眼睛或者虛擬相機(jī)發(fā)出一條光線，并遞歸地追蹤這條光線在場(chǎng)景中與物體的相交、反射、折射等過程，最終計(jì)算出這條光線的顏色和亮度。這種方法雖然更加真實(shí)而復(fù)雜，但是它也有一些局限性，比如它不能處理間接光照，即由于多次反射而產(chǎn)生的環(huán)境光。路徑追蹤（path tracing）：這是一種最為真實(shí)而通用的光線追蹤方法，它可以模擬光線從光源發(fā)出到觀察者接收的完整路徑，并利用蒙特卡羅（Monte Carlo）方法對(duì)所有可能的路徑進(jìn)行隨機(jī)采樣和加權(quán)平均，從而實(shí)現(xiàn)全局光照，即包括直接光照和間接光照在內(nèi)的所有光照效果。美國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)家詹姆斯·卡吉亞（James Kajiya）于1986年提出了這種算法，它可以模擬光線從光源發(fā)出到觀察者接收的完整路徑，并利用蒙特卡羅方法對(duì)所有可能的路徑進(jìn)行隨機(jī)采樣和加權(quán)平均，從而實(shí)現(xiàn)全局光照。這種方法雖然最為真實(shí)而通用，但是它也有一個(gè)顯著的缺點(diǎn)，就是它需要大量的計(jì)算時(shí)間和資源。

光線追蹤的發(fā)展

光線追蹤需要對(duì)每個(gè)像素進(jìn)行大量的光線求交和顏色計(jì)算，對(duì)計(jì)算能力和內(nèi)存空間有很高的要求。早期硬件設(shè)備的限制，只有少數(shù)專業(yè)人士能夠使用光線追蹤技術(shù)，只能用于離線渲染，即預(yù)先生成圖像并保存為文件或視頻。例如，在電影《星球大戰(zhàn)》和《玩具總動(dòng)員》中使用了光線追蹤技術(shù)渲染一些場(chǎng)景和特效，渲染過程需要花費(fèi)數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天的時(shí)間。

隨著硬件設(shè)備圖形處理器（GPU）的出現(xiàn)和發(fā)展，光線追蹤技術(shù)也得到了極大的提升。一方面GPU能夠并行處理大量的數(shù)據(jù)，大幅提高光線追蹤的速度和效率。另一方面能夠支持更多功能和擴(kuò)展，增強(qiáng)光線追蹤的質(zhì)量和效果。例如，在游戲《孤島危機(jī)》和《我的世界》中使用了GPU加速的光線追蹤技術(shù)來渲染場(chǎng)景和特效，渲染過程只需要幾秒甚至幾毫秒的時(shí)間。目前，光線追蹤技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了實(shí)時(shí)渲染的水平，即能夠在每秒生成數(shù)十甚至數(shù)百?gòu)垐D像實(shí)時(shí)顯示在屏幕上。這對(duì)于游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）等領(lǐng)域有著巨大的意義和影響，它能夠提供更加真實(shí)和沉浸的視覺體驗(yàn)。例如，在游戲《賽博朋克2077》和《地鐵：離去》中使用實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)來渲染場(chǎng)景和特效，只需要幾毫秒甚至幾納秒的時(shí)間。

光線追蹤的應(yīng)用

光線追蹤技術(shù)不僅能夠創(chuàng)造出逼真的圖像，還能夠帶來許多其他價(jià)值。在不同的領(lǐng)域中，光線追蹤技術(shù)有著不同的應(yīng)用和作用。

電影動(dòng)畫領(lǐng)域：光線追蹤技術(shù)能夠讓導(dǎo)演和藝術(shù)家更加自由地表達(dá)他們的想象和創(chuàng)意，節(jié)省時(shí)間和成本。例如，在電影《阿凡達(dá)》和《尋夢(mèng)環(huán)游記》中使用了光線追蹤技術(shù)，渲染一些場(chǎng)景和特效呈現(xiàn)出令人驚嘆的視覺效果。游戲娛樂領(lǐng)域：光線追蹤技術(shù)能夠讓玩家和觀眾更加真切地感受到游戲世界的氛圍和情感，增強(qiáng)參與度和沉浸感。例如，在游戲《荒野大鏢客：救贖2》和《馬里奧賽車8》中使用了光線追蹤技術(shù)渲染場(chǎng)景和特效，呈現(xiàn)出令人難忘的游戲體驗(yàn)。

設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域：光線追蹤技術(shù)能夠讓設(shè)計(jì)師和工程師更加精確地模擬產(chǎn)品的外觀和性能，優(yōu)化工作流程和質(zhì)量。例如，在汽車、建筑、服裝等行業(yè)中使用了光線追蹤技術(shù)渲染產(chǎn)品原型和效果圖，提高了產(chǎn)品的可視化和驗(yàn)證水平。

光線追蹤的未來

光線追蹤技術(shù)經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，已經(jīng)成為了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一項(xiàng)重要的技術(shù)。它不僅能夠創(chuàng)造出逼真的圖像，還能夠帶動(dòng)其他相關(guān)的技術(shù)和領(lǐng)域的進(jìn)步。為了提高光線追蹤的速度和效率，人們開發(fā)了許多新型的硬件設(shè)備和軟件平臺(tái)，如NVIDIA的RTX 4090顯卡和微軟的DirectX Raytracing API。為了提高光線追蹤的質(zhì)量和效果，人們探索了許多新型的算法和應(yīng)用領(lǐng)域，如深度學(xué)習(xí)、神經(jīng)渲染、體積渲染等。

光線追蹤技術(shù)仍然是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域，有許多學(xué)者和工程師在不斷地探索和改進(jìn)它。隨著硬件設(shè)備和軟件平臺(tái)的不斷更新，光線追蹤技術(shù)將會(huì)變得更加快速、智能、多樣和普及，我們有理由相信光線追蹤技術(shù)將會(huì)給我們帶來更多的驚喜和可能性。

來源：匯天科技