光栅化时代终结者？ 实时光线追踪前景展望

作者：Bentse　责任编辑：WolStame

光栅化与光线追踪概述

经常光顾本站的大多数看官应该对“光线跟踪”技术不陌生，对于“光线追踪（Ray Tracing）”与目前3D游戏中所使用的“光栅化（Rasterization）”渲染技术之间的区别应该也有所了解。下面我们先来看一下网络百科全书对“光线追踪”跟“光栅化”两个术语的有趣定义：

光线追踪——“光线追踪”是一种源自几何光学的通用技术，它通过追踪与光学表面发生交互作用的光线，得到光线经过路径的模型。它通常被用于摄像机镜头、显微 镜、天文镜以及望远镜等光学系统的设计上。该术语还可以指计算机3D图形中的一种特殊算法，它通过追踪视点所发出的光线路径来演算程序设定的场景　的视觉效果。其结果不仅跟“光线投射”和“扫描线渲染”两种技术相似，而且还提供了更为先进的光学特效，比如反射跟衍射的精确表现。而更重要的　是，“光线追踪”出色的效率常常让它成为高质量3D图象渲染的解决之道。小熊在线www.beareyes.com.cn

光线追踪算法分为两种：正向追踪算法和反向追踪算法。其中，正向追踪算法是大自然的光线追踪方式，即由光源发出的光经环境景物间的多次反射、透射后投射到景物表面，最终进入人眼。反向追踪算法正好相反，它是从观察者的角度出发，只追踪那些观察者所能看见的表面投射光。就目前而言，所有3D制作软件的光线追踪算法都是采用反向追踪法，原因是这种算法能够最大程度地节省计算机的系统资源，而且不会导致渲染质量的下降。

光栅化——“光栅化”该术语通常指目前流行的计算机三维成像渲染算法，就是指把景物模型的数学描述及其色彩信息转换至计算机屏幕上象素的过程。

使用光栅化，我们可以将几何图形转化成屏幕上的像素。Direct3D使用扫描线（scanline）的渲染来产生像素。 当顶点处理结束之后，所有的图元（　primitives）将被转化到屏幕空间（screen space），在屏幕空间一个单位就是像素。点，线，三角形通过一组光栅规则被转化成像素。光栅规则定义　了一套统一的法则来产生像素。光栅得到的像素一般会携带深度值，一个RGBA diffuse 颜色，一个RGB specular 颜色，一个雾化系数和一组或者多组　纹理坐标。这些值都会被传给流水线的下一个阶段像素的处理，然后注入到渲染目标（render target）。

由于实时3D渲染程序要求对用户的即时操作作出迅速反应，因此通常要求每秒20帧以上的渲染速率，这也使得高效率的“光栅化”渲染技术成为当今最受青睐的3D即时成像技术。

“光栅化”技术的渲染速度跟“辐射度”与“光线追踪”相比极快，不过由于它并非基于对物理光线的传递计算，因此对于现实中复杂的光照效果的真实模拟方面，“光栅化”就无能为力了。

需要指出的是：光线追踪并不是一项什么新鲜技术，多年来这种技术一直在离线渲染领域被广泛使用，像是电影特效的处理中，但是由于光线追踪的计算量却异常大，所以对于3D游戏等即时渲染领域，即使使用现在PC上最强劲的常规硬件配置，绘制一帧简单的图像也需要耗费相当漫长的渲染时间，远远达不到每秒20帧以上即时3D渲染的标准。而这也是即时3D渲染领域为何多年来一直朝“光栅化”方向发展的主要原因。