對(duì)于那些想要獲得現(xiàn)實(shí)感的藝術(shù)家或開(kāi)發(fā)人員而言，一款可以模擬光在場(chǎng)景中發(fā)生相互作用(即光反射、光吸收、光折射等)的渲染器(具有創(chuàng)建視覺(jué)效果的功能)十分重要。這就需要在處理每個(gè)像素時(shí)，對(duì)場(chǎng)景有一個(gè)全方位的了解，這里不是指最常見(jiàn)的渲染技術(shù)，而是需要實(shí)時(shí)的光柵化渲染器。

出版物：VRTech

作者：PVR演示工程主要應(yīng)用工程師Mathieu Einig

例如，在光柵化中渲染像素時(shí)，以下數(shù)據(jù)可用：

? 單點(diǎn)表面數(shù)據(jù) (如，點(diǎn)的位置、顏色)

? 一些通用的全局值(如，3個(gè)最近的光源位置、當(dāng)前時(shí)間、攝像機(jī)方向)

? 一些紋理

但僅有這些可用的數(shù)據(jù)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，評(píng)估光線如何在場(chǎng)景中折返仍是非常困難。有一些方法可以評(píng)估近似的值，但卻往往相當(dāng)?shù)托?，且渲染質(zhì)量差，經(jīng)常讓最終用戶很失望 (近似值使用的無(wú)效方法降低了幀率)。同時(shí)，這個(gè)方法錯(cuò)綜復(fù)雜，讓開(kāi)發(fā)人員十分為難。

圖1：沒(méi)有任何環(huán)境(左)的渲染生成的圖像看起來(lái)像人造圖像。有了環(huán)境(右)的圖像看起來(lái)更自然，且有軟陰影、反射和光反射。

這是光線追蹤發(fā)揮作用的地方：當(dāng)渲染像素時(shí)，發(fā)送光線到場(chǎng)景中來(lái)探測(cè)周邊環(huán)境。如果當(dāng)前點(diǎn)和光源之間的光線被一些幾何圖形阻斷，便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)陰影。如果使用光線匹配附近物體的顏色，便會(huì)獲得反射光。傳統(tǒng)的渲染器中未實(shí)現(xiàn)的圖像效果在其設(shè)計(jì)中開(kāi)始變得符合邏輯，且在執(zhí)行時(shí)變得很簡(jiǎn)單。

是的，除了所需的處理能力，一切事情皆十分簡(jiǎn)單。其優(yōu)勢(shì)是明顯的，但為何光線追蹤卻不常使用呢?原因很簡(jiǎn)單：向場(chǎng)景發(fā)射光線并且找到與幾何圖形的交集非常復(fù)雜，計(jì)算量大。這就是為何，歷來(lái)只在電影的離線渲染器中使用光線追蹤。

使光線追蹤成為現(xiàn)實(shí)

PowerVR Wizard光線追蹤GPU的發(fā)布打破了陳規(guī)。PowerVR GR6500是Wizard系列第一款GPU，且2瓦特內(nèi)每秒能處理1億條光線，這比現(xiàn)有的解決方案更具效率，甚至高出了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

過(guò)去，有人則聲稱(chēng)使用其硬件已解決了實(shí)時(shí)光線追蹤，但后來(lái)都以失敗告終。PowerVR Wizard為何能脫穎而出呢?首先，光線追蹤的功能已緊密集成到實(shí)時(shí)渲染API OpenGL ES和Vulkan中，這意味著，開(kāi)發(fā)人員不需要切換到一些效果不佳的專(zhuān)有渲染器中。此外，光線追蹤可以與光柵圖像混合，這樣，在現(xiàn)有的游戲和應(yīng)用程序中集成新的追蹤效果便非常簡(jiǎn)單。但最重要的是，它是完全可編程的。之前的硬件光線追蹤解決方案通常只涉及一組有限的預(yù)定義效果，如基本的反射和折射、或硬陰影。而有了這個(gè)解決方案，光線追蹤將成為一個(gè)工具，允許將一個(gè)全新的范例無(wú)縫集成到現(xiàn)有的引擎中，讓開(kāi)發(fā)人員以任何他們想要的方式使用，甚至是無(wú)人嘗試過(guò)的方式。

圖2：擁有一個(gè)完全可編程的光線追蹤系統(tǒng)使開(kāi)發(fā)人員可以采取任何他們想要的渲染方式

新模式將產(chǎn)生新的可能性

最近，我們的光線跟蹤技術(shù)作為光預(yù)處理工具，集成在Unity游戲引擎中，這是模式轉(zhuǎn)換一個(gè)很好的案例：使用全新的更佳的方案來(lái)解決舊有的問(wèn)題，即便這些問(wèn)題已經(jīng)得到滿意的解決。

光照貼圖，即在創(chuàng)建3D環(huán)境時(shí)預(yù)先對(duì)復(fù)雜的光線相互作用進(jìn)行計(jì)算 (用于游戲或架構(gòu)視覺(jué)化)，歷來(lái)是一個(gè)非常漫長(zhǎng)而乏味的過(guò)程。對(duì)場(chǎng)景幾何圖形或照明的每次更改都必須遵循幾分鐘到幾小時(shí)的等待時(shí)間，使創(chuàng)作者很難得到正確的結(jié)果。但是使用光線追蹤的迭代特性便可以解決這個(gè)問(wèn)題：用戶可以得到即時(shí)但粗糙的結(jié)果，隨后，粗糙的結(jié)果越來(lái)越精細(xì)。這意味著，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，它還可以及時(shí)糾正，節(jié)省了大量的時(shí)間。

ImaginaTIon與多個(gè)行業(yè)領(lǐng)先的中間件供應(yīng)商合作，以確?？梢越鉀Q傳統(tǒng)的“雞和蛋的問(wèn)題”，并通過(guò)將光線追蹤功能納入這些引擎中，使應(yīng)用程序中能包涵光線追蹤的特性，這樣使得開(kāi)發(fā)人員更加便利。

除了明顯改善光照質(zhì)量，還可以以不同的方式來(lái)使用光線追蹤。例如，在虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)中，光線跟蹤在渲染過(guò)程的第一階段便開(kāi)始對(duì)抗透鏡畸變，而不是像光柵化一樣，在渲染最后階段移動(dòng)和拉伸像素。這樣處理效果會(huì)更好，每像素發(fā)送的光線數(shù)量則取決于幀像素的位置，這意味著，實(shí)施漏斗狀渲染則非常簡(jiǎn)單，它追隨人眼，繪制人眼所見(jiàn)的最詳細(xì)的圖像，并不斷精密化。

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)愈發(fā)成熟，開(kāi)發(fā)人員開(kāi)始尋找方法來(lái)進(jìn)一步提高現(xiàn)實(shí)存在感。物理和環(huán)境感知聲音的設(shè)計(jì)已成為一個(gè)改進(jìn)的重要目標(biāo)區(qū)域。例如，回波仿真可以幫助用戶獲得額外的空間意識(shí)，提高虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)的可信度。模擬環(huán)境中的聲音交互與渲染光線十分相似，且同樣的光線跟蹤技術(shù)可以用于以更低的處理成本來(lái)提升沉浸感。