光线追踪

光线追踪

光线追踪是一种模拟现实世界中光线传播方式的渲染技术。与扫描线渲染逐行处理多边形不同，光线追踪从相机通过每个像素发射光线，并计算它们击中的物体。当光线击中表面时，渲染器根据材质计算颜色，然后发射额外的光线用于反射、折射和阴影。

基本的光线追踪算法出奇地简单。对于图像中的每个像素，你从相机位置通过该像素向场景发射一条或多条光线。找到每条光线击中的第一个表面。然后通过评估材质和光照来计算该点的颜色。对于反射表面，你反弹光线并继续。对于透明表面，你折射光线并继续。

光线追踪自然地处理了扫描线渲染难以实现的效果。反射是准确的，因为光线以正确的角度从表面反弹。阴影是准确的，因为渲染器会检查光源是否从表面点可见。通过玻璃和水的折射也能正确工作。结果比扫描线渲染逼真得多，尤其是对于具有复杂光照的场景。

光线追踪的缺点是性能。为每个像素发射光线，然后再为反射和阴影发射更多光线，需要巨大的计算能力。早期的光线追踪图像即使对于简单的场景也需要数小时才能渲染。配备专用光线追踪核心的现代硬件，如Nvidia RTX，已经使实时光线追踪成为可能，但它仍然比传统的光栅化更昂贵。

光线追踪是大多数现代VFX渲染器的基础。Arnold、RenderMan、V-Ray和Cycles都使用光线追踪作为其核心算法。它们之间的区别在于如何优化光线追踪过程、如何处理多次反弹以及如何减少噪点。但从相机发射光线的基本概念在所有渲染器中都是相同的。