實時光線追蹤技術在未來設計領域的可行性研究

李宇星

摘 要：設計行業在城市發展中占有重要地位，從城市規劃到室內家裝，設計都是必不可少的一部分，設計工具是設計行業人士火熱討論的話題，新的設計工具帶來新的工作流程，不斷便捷創作者，縮短創作流程。進入信息時代，計算機與人類的生產生活息息相關，相較于原始的手工設計，計算機設計的效率是以往的數倍，大量的設計師、藝術家、工程師轉向這一新的生產方式。結合當下設計行業發展的大環境，立足于社會對更加真實的圖形需求，全文以實時光線追蹤技術為落腳點，文章第一部分介紹技術原理與該技術存在的重要性;第二部分探討行業發展現狀、未來發展趨勢;第三部分對如何引起有關行業的變革提出假設，通過游戲、設計行業現有的實時光線追蹤技術運用驗證文章設想的正確性。

關鍵詞：實時光線追蹤;計算機圖形學;圖形改革;設計與藝術

引言

計算機硬件的計算能力逐漸強大，計算機的圖形處理效果逐漸向真實性靠攏;發展至今，各種光線計算，模型計算逐漸成熟，愈來愈能滿足設計師與藝術家的圖形處理需求，實時光線追蹤技術的出現將計算機圖形表現效果又拉高了一個臺階，這一新技術所造成的行業變革使業內人士不得不引起重視。

1.實時光線追蹤技術的定義及其重要性

1.1這一技術是什么

實時光線追蹤技術可以被拆分為兩部分，光線追蹤和實時渲染。

光線追蹤技術很早就有了，業界公認此算法為Turner? Whitted在1980年提出[1]。早期的光線追蹤技術實現的方法非常簡單，其目的在于通過追蹤穿過畫面的光線，觀察哪些物體與其相互作用，從而模擬光線的傳播路徑。光線追蹤是目前最能模擬真實光照的技術，在游戲、設計領域都有應用。

實時渲染是計算機在顯示器上做到即時成像的技術[2]，將實時渲染與光線追蹤技術結合是近年才出現的，實時光線追蹤要瞬間計算無數條光線并顯示最終效果，因此所需算力非常大[3]。各種渲染理論出現得很早但沒有相應的承載工具，想要實現實時光線追蹤計算幾乎是不可能的，不過出現支持高效運行實時光線追蹤程序的計算硬件后，未來設計領域將這一渲染方式作為主流并不無可能。

1.2這一技術存在的重要性

每一次技術進步都能引起相關行業的變革，同時帶動科技，經濟的發展，計算機圖形領域也不例外。將工作時間縮短，圖像表現效果增強一直都是計算機圖形開發者所追求的，每一次圖形顯示效果迭代都能在各個領域產生巨大影響。

如何把設計作品以更好的方式展現給客戶是設計行業長期研究的問題。設計作品的表現方法有很多，不同的表現風格、表現形式使得作品最終呈現的效果也不同。在建筑設計行業與游戲動畫行業里，極為接近寫實是主流的審美，模擬人眼所能看見的畫面會有更多受眾面。實時光線追蹤技術帶來的不僅是畫面更加真實，采用它處理圖形相當于跳過了傳統意義上的“渲染”過程，對于創作者而言，這將改變行業的工作流程。

“渲染”是計算機圖形表現內不可分割的一部分，產生好的畫面要進行不同的運算，包括光線的運算，材質的運算，模型的運算，這個過程會消耗大量的時間，但實時光線追蹤的出現大大縮短了渲染時間，傳統的預渲染預覽效果變成了實時預覽效果，真正做到了所見即所得。

這一新技術的出現是劃時代的，它不僅提高了創作者的工作效率，而且能更好地向服務對象表達創作想法。行業內對這一技術的認可度逐漸增加，影視制作，游戲設計乃至未來的交互技術對實時光線追蹤都會有很強的使用需求。

2.設計行業的技術發展現狀及未來發展趨勢

2.1設計行業的技術發展現狀

（1）圖形革新速度趨于緩慢

雖然每年設計行業的軟件都在更新，但是真正做到畫面表現上的飛躍非常少，多年前的計算機就能夠做到極其真實的畫面了，無論是光影還是材質表現，基本都能達到以假亂真的效果，跟現在比起來更多是受到了硬件的制約。近幾年的圖形表現更多是優化計算方式，縮短計算時間，在圖形表現風格上做文章[4]。

（2）傳統渲染方式占主導

近幾年設計行業的工作方式并沒有很大的變化，大多公司還是采用傳統工作流程，除非公司的市場體量足夠大，有足夠資金支持技術迭代，一般的小設計公司則會因為成本原因不會去采用不成熟的技術。設計市場對于新的圖像技術沒有表現出非常大的反響，大量設計公司依然存在十多年前的老技術，傳統渲染方式長期存在對新技術的普及也會起到阻礙。

（3）可選渲染工具增多，設計技術陷入瓶頸

現在設計市場上有V-ray、阿諾德、red-shift等一眾主流渲染器，還有乘實時光線追蹤技術勢頭的國產渲染器Dimension 5出現。可供設計師選擇的渲染工具越來越多，不同的公司也有自己的一套工作流程，盡管豐富的渲染器可以滿足市場需求進行不同的搭配，但是他們表現的畫面沒太大區別，不僅在對設計師的培養上會花費更多成本，也增加了設計師的學習負擔。

2.2未來設計行業的發展道路

（1）游戲影視

自2018年有了可以支持實時光線追蹤計算的硬件在市面上流通，游戲行業就積極向這一新技術靠攏，不少開發者表示將會把自己的作品加入實時光線追蹤技術。新技術的確給開發者帶來了福音，在游戲開發過程中，光線布置一直都是令人頭疼的問題，在實時光照技術出來之前，處理場景光照需要花費大量時間，基于真實物理計算的實時光線追蹤技術跳過了繁瑣、機械、耗時的全局光照烘焙，解決了毫無意義的人力消耗，多余的時間以便開發者更好地研究作品的內容。

除了游戲行業在更新迭代，影視行業也在悄然變革。現代科技讓影視制作方式以極為高效的方式呈現，不拘泥于曾經的“演員+自然場景”或者“演員+綠幕”，過去只有少數的大片制造廠才能做到的事情，現在利用實時技術，具有電影夢想的人也可以去實現。2020年“實時光線追蹤”逐漸被運用到影視制作領域，“虛擬制片”成為影視行業的熱門詞匯。Epic Games與奧斯卡、艾美、BAFTA獲獎電影人和軟件工程師一起利用Unreal Engine （虛幻引擎）的實時技術，突破影視的制作邊界[5]。

實時光線追蹤技術的運用降低了創作的門檻，使更多的創作者進入行業，更多的文化產品流入市場，這將會成為行業的幸事。

（2）藝術設計

為了方便與客戶溝通，加速工作流程，原始的設計表現給設計行業帶來了巨大壓力，為了滿足客戶的需求，設計師在未來需要提供更高質量的畫面表現，而光線追蹤、增強型VR頭戴式顯示器和實時圖形引擎等最新技術則可以滿足需要。

大膽想象，“讓設計更近一步”，這將是未來設計行業所追求的，前沿設計更加講究可交互式，讓客戶能以第一人稱漫游整個場景，隨意更改家具擺放位置，隨時更改家具材質顏色，相對于傳統的渲染圖，交互漫游有了更靈活、更直觀、具有操作性和趣味性等特點，傳統式的純觀賞設計在將來很可能被交互式設計擠占發展空間。

3.結論

通過對設計市場的分析、技術運用的調查以及業內人士對這一技術的反應可以得出結論：實時光線追蹤技術在未來設計領域是可行的并且會有長足發展。但是我們對它的出現應該保持辯證對待的態度，不能因為該技術帶來的優勢使我們絕對樂觀，也不能對它存在的問題視而不見，從業者應該做到對新技術的合理應用，同時對新技術所造成的影響進行分析把控。

3.1順應趨勢

雖然行業內大多數人支持實時光線追蹤技術的運用，但也有一部分人持反對意見，聲稱“實時光線追蹤無用”、“資本家的利益黑洞”。

說此技術無用主要是因為在傳統的實時渲染技術中，光柵化渲染方式占主導，光柵化渲染主要是通過計算三角形和多邊形來獲得畫面輸出，這只能盡可能模擬真實世界，而沒辦法逼近真實的世界。雖然光柵化渲染方式在光線投射、反射、折射表現上沒有實時光線追蹤表現得真實，但是如果愿意花費大量時間，投入大量人力還是可以表現得跟實時光線追蹤技術計算的畫面沒太大區別，特別是表現某些沒有較強反射與折射的場景，在觀感上兩者展現的效果難以分辨，大多數情況考慮到性能和成本問題會盡量避免采用實時光線追蹤技術。

將實時光線追蹤比作“資本家的利益黑洞”也不是沒有道理。實現這一技術是需要強大的電腦硬件支持，2018年硬件廠商發布了第一代支持實時光線追蹤的顯示卡，不僅價格比以往更高，而且性能并沒有很令人滿意，有人挖出了廠商為了搶占市場，采取的一些壟斷手段，為了普及“他們的”新技術采取的某些夸大宣傳，在前期宣傳的光芒與后期性能的拉胯的強烈對比下，被人們視為資本黑洞也有得解釋了。

盡管目前實時光線追蹤技術還存在不足，受到了不少批評，但是總體發展趨勢是沒有問題的，如果實時光線追蹤沒有出現，也會有其他類似的技術出現填補市場的需要，只要不會影響行業的正常秩序，能夠為行業發展提供保障，從業者應該順應技術發展趨勢。

3.2辯證對待

（1）辯證看待實時光線追蹤技術帶來的畫面表現

能夠表現設計師想法的重點不是工具，而是設計師本身的能力，不同的工具只是區分了作品的表達方式，作品質量的好與壞不能以工具的好壞決定，好的技術支持能夠幫作品添彩，便捷創作流程，但沒有很好的技術保障也不代表無法制作出好的作品。

現在很多人陷入了誤區：好的技術、工具可以彌補作品的不足。許多創作者乘工具的便捷，不斷加快創作速度，利用工具的強大表現能力營造視覺上的沖擊感，不只是室內外設計，電影、游戲皆如此，在追求畫面沖擊的過程中忽視了對作品內涵的刻畫，因為技術帶來的優勢而忽略了作品最重要的東西，作品的表達浮于表面，也就造成了現在行業內擁有如此優秀的畫面表現力的作品比不上多年前畫面不怎么精良的作品。

（2）辯證看待實時光線追蹤技術帶來的行業影響

設計的工作量很大，因此行業中產生了不同分工，比如影視制作從拍攝到剪輯到后期，動畫的建模到貼圖到渲染，每一步都需要花費大量的時間，原始工作流程對于從業者的要求也不低，特別是做渲染對于燈光的把控很嚴格，實時光線追蹤技術的出現簡化了傳統的設計流程，降低了設計師的工作量，但同時也放低了設計行業的入職標準，致使從業者增多，競爭加強，原始的設計行業只有尋找新的突破口。

參考文獻：

[1]Kerlow，I.V，Rosebush，J.Computer Graphics for Designer & Artists[M].北京：中國水利水電出版社：1998：3

[2]毛星云.《Real-Time Rendering 3rd》提煉總結[EB/OL].https：//blog.csdn.net/poem_qianmo/article/details/69849858，2021-03-01

[3]毛星云.實時光線追蹤技術：業界發展近況與未來挑戰[EB/OL].https：//blog.csdn.net/poem_qianmo/article/details/103949788，2020-01-12

[4]導演幫.虛擬制片時代的震撼實例丨鮮觀? ?[EB/OL].https：//www.sohu.com/a/442089834_662944，2021-01-02