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淺談?dòng)?jì)算機(jī)中的光線追蹤

西西 ? 來(lái)源:Kristof Beets,Imagin ? 作者:Kristof Beets,Imagi ? 2020-03-08 07:53 ? 次閱讀

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(lái)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(chē)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(chǎng)。

如果你去看任何的三維場(chǎng)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(chǎng)景中以模擬場(chǎng)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(shuō)是“路徑追蹤”,其過(guò)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(lái),照射到場(chǎng)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(lái)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(chǎng)景被照亮,就像其被真實(shí)世界中的太陽(yáng)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(wú)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(guò)三維動(dòng)畫(huà)電影熟悉了光線追蹤。在《玩具總動(dòng)員4》(Toy Story 4)的開(kāi)場(chǎng)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(chǎng)景需要在專(zhuān)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(lái)說(shuō)并不適用,在游戲中場(chǎng)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(wú)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(jué)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(lái)成為現(xiàn)實(shí)。

有這樣一個(gè)問(wèn)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(méi)有一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)來(lái)支持它——不過(guò)這種情況正在改變。2018年,英偉達(dá)(NVIDIA)面向臺(tái)式電腦市場(chǎng),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(méi)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(kāi)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(kāi)始出現(xiàn)在其他市場(chǎng)中——例如AR / VR市場(chǎng)。

結(jié)果是,隨著光線追蹤重新被提上日程以及人們開(kāi)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(kāi)始熟悉這一改變行業(yè)的技術(shù)的最新進(jìn)展。

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