光线追踪专题

最原始的光线追踪

最初的光线追踪由光源发出光子并在场景中行进，场景中被撞击的位置被照亮，其他位置则是阴影。其只能计算直接光照，且在处理多光源时会更加吃力，在现代渲染中几乎不会使用。

逆向光线追踪

光子不再由光源发出，而是从摄像机的每一个像素出发，根据光路可逆原则求出光照，可以节省很多在原始光线追踪中被浪费的光线（发射到屏幕外或者被遮挡），是现代光线追踪算法的核心。

路径追踪

路径追踪是目前使用较多的追踪方案，虽然它们有时候仍然会被称为光线追踪。

如果要提到路径追踪，我们想先介绍计算机图形学领域的大师——Jim Kajiya 。作为研究图形学光传输框架的先驱之一，他的贡献为整个行业带来了深远影响。

Kajiya 最著名的贡献就是于 1986 年提出的渲染方程 ，这是计算机图形学中进行物理真实感渲染极为重要的理论基础。该方程描述了三维场景中光线的能量传播及衰减，至今仍是全局光照算法的核心。由于引入了辐射度量学，它有效终结了图形学中真实感渲染混乱无章的时代，使得真实感渲染朝着物理准确迈进。

不过，渲染方程作为麦克斯韦电磁理论的近似，它仅适用于理论上波长远小于面微分的情况。也就是说，仅仅基于辐射度量学的渲染方程不能模拟出物理光学中的衍射、干涉等现象，只能模拟线性的能量传输。

路径追踪正是基于渲染方程，同样由 Kajiya 提出。不过渲染方程是一个极其复杂的积分方程，几乎不能求得解析解，因此采用了蒙特卡洛积分法 ，通过随机采样光线路径来估计积分值，从而获得最终的渲染结果。

• 蒙特卡洛积分法是利用随机采样求和估计数值的一种积分方法 ，在路径追踪中，它被用于计算光线在场景中相互作用后产生的散射效果。为了提高相同采样率下的渲染质量，工程师们大规模应用了重要性采样来引导渲染方程的积分值估计。

与传统光线追踪流程相比，路径追踪在求出交点后，会根据物体材质属性随机选择新的传播方向，继续追踪光线，重复上述过程，直至光线抵达光源（或达到退出条件），最后将所有采样光线的贡献累加，从而计算出像素颜色。

传统光线追踪与路径追踪的最大区别就是求解的光能传输方程以及求解策略的不同。路径追踪求解的是渲染方程；而传统光线追踪一般是一些简单的初等方程，例如Lambert漫反射方程、Phong高光方程。
此外，这两个方程在 PBR 普及前的游戏（几乎所有，那时的游戏几乎全部基于光栅化）中有极为广泛的应用。方法上，传统光线追踪是确定性地求解，而路径跟踪是随机采样。由此可见，无论是光线追踪、路径追踪还是光栅化，它们都只是手段，而求解光能传输才是目的。

简单来说， 。

混合追踪

也称部分追踪 。现阶段的 实时 光线追踪技术处于初步发展阶段 ，而传统的光栅技术已达到炉火纯青的境界。

将场景以传统光栅方式渲染，然后用光线追踪补足细节，是目前大多数游戏所使用的手段，这样也能在画质与帧率间找到平衡。

屏幕空间追踪

SST ，是受限于 帧缓冲 ，只能与 屏幕空间 场景求交的光线追踪算法，是一种高质量的屏幕空间效果，同时也是廉价的光线追踪解决方案。

直接访问几何场景

对于现代大多数渲染接口来说，只要经过正确的设置，我们都可以直接访问几何数据，很遗憾，Java 版不在此列，其性能开销较大，几乎只在硬件加速的场景下才这样做。

体素化

Voxelize ，将场景切割成小的立方体并存储其信息，是一种较为高效的数据存储方案，与 Minecraft 有天然的亲和力。

符号距离场

SDF ，记录场景中每个点到最近几何表面的距离，符号用以区分内外。是包括 Lumen 软件光追模式在内使用的方案。

硬件加速

利用硬件进行光线追踪求交加速，同时也需要软件的支持，很遗憾，OpenGL 不在此列。

包围盒

利用二叉树生成紧靠的 AABB 包围盒，光线每次只需和两个包围盒求交，若不在其中一个包围盒则必定在另一个包围盒，如此往复递进最终确定光线与场景的交点。