光線追蹤：一種顛覆性技術(shù)

對(duì)于任何名副其實(shí)地從事AR/VR/XR、產(chǎn)品設(shè)計(jì)或仿真工作的工程師而言，光線追蹤是他們應(yīng)該熟悉的一種技術(shù)。因?yàn)樗亲匀S(3D)圖形誕生以來圖形技術(shù)領(lǐng)域最重要的進(jìn)步之一，而且它即將從高深的電影和廣告領(lǐng)域轉(zhuǎn)向移動(dòng)、可穿戴和汽車等嵌入式領(lǐng)域，作為全新的、更有效的處理光線追蹤的方法進(jìn)入市場。

如果你去看任何的三維場景，會(huì)發(fā)現(xiàn)其逼真度很大程度上取決于光照。在傳統(tǒng)的圖形渲染(光柵化處理)中，光照貼圖和陰影貼圖是預(yù)先計(jì)算好的，然后應(yīng)用到場景中以模擬場景外觀。然而，雖然可以實(shí)現(xiàn)很美觀的效果，但其始終受限于一個(gè)事實(shí)，即這些技術(shù)僅僅是在模擬光照。光線追蹤技術(shù)則是模擬光照在真實(shí)世界中如何表現(xiàn)，以創(chuàng)建更精確、更程序化的反射、透明、發(fā)光和材質(zhì)圖像。

在現(xiàn)實(shí)生活中，光源發(fā)出的虛擬光束會(huì)照射到物體上。然后光線會(huì)與該物體相互作用，并根據(jù)物體的表面性質(zhì)再反射到另一個(gè)表面上。之后，光線會(huì)不停地進(jìn)行反射，從而產(chǎn)生光和影。

計(jì)算機(jī)中的光線追蹤，或者更準(zhǔn)確地說是“路徑追蹤”，其過程與真實(shí)世界中的光線照射路徑是相反的。光線實(shí)際上是從攝像機(jī)的視角發(fā)射出來，照射到場景中的物體上，然后算法會(huì)根據(jù)光線所照射到的表面的性質(zhì)來計(jì)算光線將如何與該表面相互作用。之后，會(huì)繼續(xù)追蹤每條光線照射到每個(gè)物體上的路徑，直至返回光源。結(jié)果就是一個(gè)場景被照亮，就像其被真實(shí)世界中的太陽照亮一樣：具有逼真的反射和陰影效果。

傳統(tǒng)上，由于計(jì)算負(fù)載太高，無法在嵌入式設(shè)備(甚至高端工作站)上實(shí)時(shí)地執(zhí)行此操作。

雖然光線追蹤在游戲中還是非常新鮮的事物，但許多人已經(jīng)通過三維動(dòng)畫電影熟悉了光線追蹤。在《玩具總動(dòng)員4》(Toy Story 4)的開場鏡頭中，雨坑里反射的光線就是最近的一個(gè)例子。然而，這些場景需要在專用服務(wù)器集群上用數(shù)月時(shí)間去渲染，這對(duì)于游戲來說并不適用，在游戲中場景必須以至少每秒30幀的速度實(shí)時(shí)生成，最好是兩倍速度甚至更高。

在游戲中進(jìn)行實(shí)時(shí)光線追蹤以前是無法實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)樯婕熬薮蟮挠?jì)算量，但是這種情況已經(jīng)有所改變，這要?dú)w功于將光柵化的速度和光線追蹤的視覺精確度結(jié)合在一起的混合式方法。在你的手機(jī)上運(yùn)行具有光線追蹤功能的游戲?qū)?huì)有多棒?這將在不久的將來成為現(xiàn)實(shí)。

有這樣一個(gè)問題，盡管用于移動(dòng)設(shè)備的實(shí)時(shí)光線追蹤解決方案已經(jīng)存在了一段時(shí)間，但是仍沒有一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)來支持它——不過這種情況正在改變。2018年，英偉達(dá)(NVIDIA)面向臺(tái)式電腦市場，尤其是游戲玩家發(fā)布了具有混合實(shí)時(shí)光線追蹤功能的硬件。但是就連英偉達(dá)在發(fā)布該硬件時(shí)也沒有任何游戲，這突顯出為一種新技術(shù)打造生態(tài)有多么困難。然而，現(xiàn)在諸如Bethesda和Unity等眾多游戲開發(fā)商已經(jīng)有所行動(dòng)，同時(shí)2020年的新一代游戲機(jī)也將包括一些光線追蹤功能。不久之后，光線追蹤亦會(huì)開始出現(xiàn)在其他市場中——例如AR / VR市場。

結(jié)果是，隨著光線追蹤重新被提上日程以及人們開始在自己的電腦上體驗(yàn)它，大家會(huì)逐漸想要去擁有它，并且確實(shí)期望它出現(xiàn)在自己的移動(dòng)設(shè)備、VR耳機(jī)和游戲機(jī)上。因此，為了跟上時(shí)代的步伐，工程師們需要開始熟悉這一改變行業(yè)的技術(shù)的最新進(jìn)展。