基于光線追蹤的實(shí)時(shí)渲染技術(shù)分析

趙亮

摘要：本文探討分析了光柵化渲染技術(shù)，以及光線追蹤渲染技術(shù)，研究了實(shí)時(shí)光線追蹤的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：光線追蹤;實(shí)時(shí)渲染;技術(shù)分析

中圖分類號：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）04-0042-02

經(jīng)歷了多年發(fā)展，直到本世紀(jì)初，以影視CG為典型代表的離線渲染（非實(shí)時(shí)渲染）技術(shù)終于能達(dá)到真假難辨的程度，而一脈相承的實(shí)時(shí)渲染在應(yīng)用上距離這一目標(biāo)無疑還有所欠缺。實(shí)時(shí)光線追蹤，可能就是這欠缺中的關(guān)鍵一環(huán)。將當(dāng)前的實(shí)時(shí)渲染技術(shù)與離線渲染技術(shù)相比較，二者在模型細(xì)節(jié)、紋理效果、材質(zhì)表現(xiàn)和基本光影等方面所呈現(xiàn)出的視覺效果的差異已經(jīng)不再明顯。得益于硬件性能的不斷提高，越來越多的曾經(jīng)只能用于離線渲染的技術(shù)和方法也已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)時(shí)渲染以獲得更加逼真的顯示效果。

1 光柵化渲染技術(shù)

到實(shí)際渲染中理解光柵化的過程：虛擬場景中的每一個(gè)模型都是由構(gòu)成它的許多三角面組成的，若要將模型中的一個(gè)三角面顯示在屏幕上，首先在先判定三角面的三個(gè)頂點(diǎn)在視場中的位置并將其坐標(biāo)變換對應(yīng)到屏幕坐標(biāo)，然后將三個(gè)頂點(diǎn)涵蓋的區(qū)域（像素）進(jìn)行填充。由此可見，光柵化方法能夠?qū)?fù)雜的場景內(nèi)容拆分成為一個(gè)個(gè)由若干像素組成的相對獨(dú)立的計(jì)算單元。通過這種方式可以充分利用GPU的多線程渲染流水線，即通過在GPU上并行完成大量的簡單計(jì)算實(shí)現(xiàn)快速渲染的目的。

光柵化技術(shù)的這種拆分計(jì)算導(dǎo)致這以種方法處理一些全局效果時(shí)遇到很大的困難。影響場景的全局效果主要是場景中光影的交互效果，比如全局光照、陰影、反射、折射等。因?yàn)檫@些效果都不是由單一對象構(gòu)成的，比如陰影就屬于光源和遮擋物體作用在被遮擋物體上形成的，被光柵化拆分到不同計(jì)算單元中的這些元素或物體部分就很難再去實(shí)現(xiàn)交互影響的計(jì)算。前人為了克服其短板用其他手段模擬陰影等效果，取得了很多成果卻也導(dǎo)致渲染復(fù)雜度的攀升。光柵化的渲染方法應(yīng)用至今，為了渲染出更真實(shí)的畫面，其復(fù)雜程度早已今非昔比，相當(dāng)多的渲染技術(shù)甚至需要脫離常人認(rèn)知層次專業(yè)級的數(shù)學(xué)功底才能理解，但其在實(shí)現(xiàn)以假亂真的視覺效果上還是差強(qiáng)人意[1]。

2 光線追蹤渲染技術(shù)

光柵化渲染方式的最大弊端就是不能模擬現(xiàn)實(shí)中光線的傳播規(guī)律，導(dǎo)致在模擬光影效果方面的嚴(yán)重不足。正是為了克服光柵化渲染方式的這一缺憾，以真實(shí)光線傳播規(guī)律為基礎(chǔ)的光線追蹤渲染方法被越來越多的使用起來[2]。

2.1 反向光線追蹤

最典型的光線追蹤渲染應(yīng)用方式，并不是采用沿著光線傳播的方向從光源開始模擬，而是根據(jù)光線直線傳播的可回溯性特質(zhì)，從觀察者角度“穿透”屏幕發(fā)射“光線”。當(dāng)發(fā)射的“光線”觸碰到場景中的第一個(gè)物體，那么這個(gè)物體被“光線”碰觸到的點(diǎn)就是未被遮擋的，而后“光線”遵從光學(xué)傳播原理經(jīng)過一系列的反射、折射若能到達(dá)一處光源，那么這條光線碰觸的部分就是被此光源“照亮”的，否則就屬于陰影的一部分。而后渲染器就能以此為根據(jù)為這束“光線”在屏幕上的對應(yīng)位置（通常以像素點(diǎn)為單位）著色。這種反向追蹤的方法避免了去計(jì)算那些在正向光線追蹤（從光源追蹤光線）時(shí)，最終不會到達(dá)觀察者（即不需要顯示在屏幕上）的光線，節(jié)省了大量不必要的計(jì)算內(nèi)容。

2.2 蒙特卡洛光線追蹤

典型的反向光線追蹤方法，雖然利用了物理原理構(gòu)建了理論方案，但相對于現(xiàn)實(shí)中的復(fù)雜情況，這一模擬方案就顯得有些簡單粗暴了。它主要存在兩個(gè)方面問題：（1）僅能處理鏡面反射、規(guī)則投射和遮擋陰影，忽略了漫反射;（2）由于模擬的光能傳遞屬于理想表面之間的，所有基于這個(gè)方法的物體表面屬性其實(shí)是單一的。

為了改善上述問題，在反向光線追蹤的基礎(chǔ)之上，引入物體表面的漫反射屬性，從概率理論出發(fā)去決定到達(dá)物體表面的光線是要進(jìn)行反射、折射還是漫反射。同時(shí)為了應(yīng)對引入表面屬性造成的光線采樣增多問題，進(jìn)一步利用概率理論進(jìn)行簡化，用少量相對重要的光線采樣來模擬積分結(jié)果。這種改進(jìn)方法的具體方案有很多種形式，他們統(tǒng)稱為蒙特卡洛光線追蹤。相對于典型的反向光線追蹤，蒙特卡洛光線追蹤引入了更復(fù)雜的漫反射材質(zhì)，這導(dǎo)致了需要跟蹤的光線數(shù)量大幅增加，于是通過采樣算法去減少需要跟蹤的光線數(shù)量。現(xiàn)在，具有相對成熟的采樣模型的蒙特卡洛光線追蹤算法已經(jīng)具備相當(dāng)高的運(yùn)行效率，一度使得光線追蹤走出專業(yè)圖形工作站甚至可以在家用級別的硬件上使用。

2.3 雙向光線追蹤

利用反向光線追蹤可以較好地表現(xiàn)出反射和折射的效果，還能得到真實(shí)度很高的陰影。但是經(jīng)過大量的理論分析及實(shí)踐，人們知道采用這種方式還不能足以體現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界中絕大多數(shù)的光影效果。物體間的多重漫反射、顏色滲透、焦和柔和陰影等現(xiàn)象都不能在僅使用反向光線追蹤方式的渲染結(jié)果中得到。另外，鑒于反向光線跟蹤離散式的對待不同像素對應(yīng)采樣光線的跟蹤計(jì)算，導(dǎo)致必然會有一定量的重復(fù)計(jì)算。為了提升畫面效果而增加采樣光線數(shù)量時(shí)，其中大幅增加的重復(fù)計(jì)算也讓反向光線跟蹤失去了原本簡潔高效的優(yōu)勢。

真正符合現(xiàn)實(shí)實(shí)際的正向光線追蹤又被重新納入考慮范疇。光線由光源發(fā)出，在場景中的每一次光能轉(zhuǎn)化都被記錄，而后只要收集這些信息就可以知道任意點(diǎn)上面的亮度。只要進(jìn)行足夠次數(shù)的光能轉(zhuǎn)化計(jì)算和相應(yīng)的顏色處理，就能以極高的擬真性表現(xiàn)出焦散、顏色滲透、柔和陰影等真實(shí)光影現(xiàn)象。若能在正向光線跟蹤的基礎(chǔ)上，使用反向光線跟蹤的采樣思想，就能一定程度的規(guī)避正向追蹤龐大計(jì)算量造成的實(shí)際應(yīng)用困境。這種綜合運(yùn)用正、反向光線追蹤的技術(shù)方案，統(tǒng)稱雙向光線追蹤。

2.4 光子圖

在每一次渲染中都同時(shí)進(jìn)行一次細(xì)致的正、反向光線追蹤理論上能獲得最接近真實(shí)的光影效果，但這是不切實(shí)際的，至少以目前計(jì)算機(jī)的運(yùn)算處理能力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)想。于是有人提出，在場景中物體和燈光不變的情況下，可以用單次正向光線跟蹤的計(jì)算結(jié)果根據(jù)觀察視角的變化進(jìn)行多次的、動態(tài)的反向光線跟蹤渲染。這樣，不僅使渲染畫面具備了正向光線跟蹤光影表現(xiàn)更真實(shí)可信的有點(diǎn)，還能剔除單純反向跟蹤難以避免的重復(fù)采樣，極大提升了渲染效率。存儲下來的這次正向光線跟蹤結(jié)果，通常稱之為光子圖。

3 實(shí)時(shí)光線追蹤的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)

光柵化是早期受限于硬件局限的妥協(xié)之策，不論是從基礎(chǔ)原理上脫離物理現(xiàn)實(shí)的缺憾，還是后人為了在光柵化基礎(chǔ)上模擬實(shí)現(xiàn)其他光影效果使光柵技術(shù)整體呈現(xiàn)臃腫的現(xiàn)狀，都導(dǎo)致光柵化并不適用于對虛擬場景逼真效果的要求進(jìn)一步提升的未來。想要大幅縮減光線追蹤的時(shí)間成本還應(yīng)該主要從算法優(yōu)化和硬件水平提升兩個(gè)方面著手[3]。

3.1 算法方面

光線追蹤計(jì)算中判定空間中光線與物體碰撞的計(jì)算部分（求交計(jì)算）是耗時(shí)最多的計(jì)算部分。如果不采取加速措施，求交計(jì)算將占整個(gè)光線追蹤耗時(shí)的95%以上。因此，大部分算法優(yōu)化都是針對求交計(jì)算試圖減少其總開銷，而具體實(shí)現(xiàn)思路又分以下三種方向。

（1）通過快速排除與求交計(jì)算無關(guān)的物體，可以大幅減少單次光線追蹤涉及的求交測試數(shù)量，有效提升單次求交運(yùn)算的效率。典型方法有空間剖分技術(shù)、層次盒包圍技術(shù)和方向技術(shù)。（2）通過減少單次光線的碰撞計(jì)算數(shù)量，可以大幅減少求交計(jì)算總數(shù)，有效控制計(jì)算總量。主要思路是光線經(jīng)過物體反射后會喪失能量，在與光線吸收能力強(qiáng)的表面或多次碰撞后，光線能量降低對場景照明的貢獻(xiàn)很少，此時(shí)就不在繼續(xù)對這條光線的求交計(jì)算。這個(gè)思路需要綜合考慮物體材質(zhì)和光線衰減，所以若能有合適的材質(zhì)設(shè)定配合效率的提升會更為直接。（3）通過概率算法基于更少的采樣獲取足夠的渲染數(shù)據(jù)，或者用光束、光錐這類模擬實(shí)體代替光線進(jìn)行計(jì)算，直接減少所需求交測試的數(shù)量。

3.2 硬件方面

GPU作為圖像處理器，最初被設(shè)計(jì)時(shí)就是用來做實(shí)時(shí)圖像渲染（光柵化）的加速的。在GPU出現(xiàn)之前，即便是相對容易的光柵化渲染，仍然會讓當(dāng)時(shí)的中央處理器CPU感到力不從心，究其原因就是任務(wù)繁雜的CPU從架構(gòu)上就不適應(yīng)光柵化渲染這種大批量拆分的獨(dú)立計(jì)算。由于基礎(chǔ)架構(gòu)與任務(wù)內(nèi)容的親和，基于GPU的硬件加速效果十分明顯。

GPU從有限固化功能發(fā)展到可編程架構(gòu)，靈活性大幅增加。同時(shí)，在浮點(diǎn)運(yùn)算和并行計(jì)算方面具備先天優(yōu)勢的GPU展現(xiàn)了超脫于單純光柵化三維渲染需求的能力。利用GPU進(jìn)行光線追蹤渲染的技術(shù)已經(jīng)基本成熟。主流的離線渲染工具都先后推出了基于GPU實(shí)現(xiàn)光線追蹤加速的最新版本。若能進(jìn)一步在硬件層面上針對光線跟蹤計(jì)算定制相關(guān)架構(gòu)和功能，應(yīng)該就能實(shí)現(xiàn)利用GPU實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)光線追蹤的硬件加速。2018年，NVIDIA公司已經(jīng)公布了能夠使用他們生產(chǎn)的產(chǎn)品級顯卡在虛擬現(xiàn)實(shí)場景中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)光線追蹤效果。通過官方公布的事例可以看到，開啟了光線追蹤之后，畫面的光影效果更加逼真、豐富，減少了場景中物體在光影上的孤立，增加了場景的協(xié)調(diào)感，明顯增加了整個(gè)場景的真實(shí)度。

4 前景展望

當(dāng)前已有具備實(shí)時(shí)光線追蹤渲染能力的產(chǎn)品級硬件問世。以反向光線追蹤為主的渲染方法還有很大提升空間。這些都意味著即便這套產(chǎn)品是橫空出世級別的新事物，還不代表實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)就已經(jīng)發(fā)展成熟。

光線渲染算量與顯示分辨率的大小直接相關(guān)，當(dāng)前迅速增加的顯示器分辨率也會導(dǎo)致同樣顯示內(nèi)容的渲染工作量的激增，這是實(shí)時(shí)化光線追蹤渲染的新挑戰(zhàn)。另外，在高性能PC端實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)化如何進(jìn)一步優(yōu)化，能夠在越來越多的硬件平臺上應(yīng)用也是需要時(shí)間去發(fā)展。短期內(nèi)，是硬件性能制約了相對完善的理論研究成果應(yīng)用。即將到來的情況有可能是在基于光線追蹤渲染設(shè)計(jì)的硬件出現(xiàn)后，相關(guān)理論研究突破瓶頸迎來的又一次發(fā)展期，實(shí)時(shí)光線跟蹤渲染終于迎來了普及應(yīng)用的曙光，由虛擬場景渲染獲得的圖像的擬真程度必然會因此獲得明顯提升。實(shí)時(shí)光線追蹤的引入會極大的提升實(shí)時(shí)渲染畫面的真實(shí)性，在影視和文化產(chǎn)業(yè)中必將帶來巨大變革。

參考文獻(xiàn)

[1] 張聰品，岳冬利.基于物理的分布并行光線追蹤算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2014（6）：1591-1594.

[2] 王芳，秦磊華.基于BRDF和GPU并行計(jì)算的全局光照實(shí)時(shí)渲染[J].圖學(xué)學(xué)報(bào)，2016（5）：583-591.

[3] 李敏，解鴻文，徐中外，邢宇航.基于光線跟蹤和BRDF模型的紅外高光反射仿真[J].激光與紅外，2018（1）：68-72.