最近閱讀了SIGGRAPH 2019中 EA SEED團(tuán)隊(duì)帶來(lái)的，關(guān)于實(shí)時(shí)光線追蹤一篇很贊的技術(shù)分享[1]。

本文將以此為引子，對(duì)實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)的發(fā)展近況，當(dāng)前業(yè)界面對(duì)的挑戰(zhàn)，以及未來(lái)的研究方向進(jìn)行一個(gè)盤點(diǎn)。

OK，下面開(kāi)始正文。

壹 · 實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)元年：2018年

個(gè)人認(rèn)為，可以將2018年定義為實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)元年。

這一年，秘密開(kāi)發(fā)了多年的實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)終于在GDC 2018上揭開(kāi)面紗，進(jìn)入大眾視野，并引起廣泛轟動(dòng)。

這一年，微軟宣布了DirectX Ray Tracing，DXR的問(wèn)世；NVIDIA、ILMxLAB、UE4聯(lián)合發(fā)布了基于實(shí)時(shí)光線追蹤的具有電影級(jí)視覺(jué)效果的《星球大戰(zhàn)》短片；NVIDIA發(fā)布了RTX Technology Demo以及Project Sol Cinematic Demo Part 1；EA SEED團(tuán)隊(duì)帶來(lái)了PICA PICA實(shí)時(shí)光線追蹤Demo；Remedy的Northlight引擎也帶來(lái)了Ray Tracing in North Light Demo；Futuremark團(tuán)隊(duì)也發(fā)布了非常贊的DirectX Raytracing Tech Demo。
?

也是這一年，NVIDIA宣布了可加速硬件中光線追蹤速度的新架構(gòu)Turing，以及搭載實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)的RTX系列顯卡。
?

同樣是這一年，第一款搭載RTX實(shí)時(shí)混合光線追蹤技術(shù)的游戲《戰(zhàn)地5（Battlefield V）》正式面世，基于EA的Frostbite引擎，帶來(lái)了出色的混合光線追蹤反射（Hybrid Ray-Traced Reflections）渲染表現(xiàn)。
?

時(shí)間來(lái)到2020年，自GDC 2018實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)正式面世以來(lái)已經(jīng)經(jīng)過(guò)了近兩年時(shí)間，讓我們看下當(dāng)前實(shí)時(shí)光線追蹤的業(yè)界產(chǎn)品應(yīng)用情況。

貳 · 實(shí)時(shí)光線追蹤：當(dāng)前業(yè)界產(chǎn)品應(yīng)用情況

2.1 虛幻引擎：UE 4.22實(shí)時(shí)光線追蹤特性正式面世
?

自4.22版本以來(lái)，UE4的實(shí)時(shí)光線追蹤功能已經(jīng)正式面世。

UE4中的Ray Tracing技術(shù)目前有兩種形態(tài)：
?

• 混合光線追蹤模式（Hybrid Ray Tracer Mode），用于將光線追蹤功能與現(xiàn)有的光柵化效果相結(jié)合，進(jìn)行混合渲染。
• 路徑追蹤參考模式（Path Tracer Reference Mode），用于與Ground Truth進(jìn)行比較。

UE4中的Ray Tracing的KeyFeature可以總結(jié)如下：
?

• 光線追蹤陰影Ray Traced Shadows
• 光線追蹤反射Ray Traced Reflections
• 光線追蹤半透明渲染Ray Traced Translucency
• 光線追蹤環(huán)境光遮蔽Ray Traced Ambient Occlusion
• 光線追蹤全局光照 Ray Traced Global Illumination

這邊放一個(gè)UE4、NVIDIA、保時(shí)捷合作的實(shí)時(shí)光線追蹤保時(shí)捷911超跑概念車渲染視頻“The Speed of Light”：

RTX 保時(shí)捷911超跑概念渲染視頻：https://www.zhihu.com/video/1199767851948756992?autoplay=false&useMSE=

2.2 Unity引擎：Unity 2019.3正式支持實(shí)時(shí)光線追蹤特性
?

隨后，Unity引擎也宣布對(duì)混合實(shí)時(shí)光線追蹤（Hybrid Real-Time Ray Tracing）的支持，并在Unity 2019.3中正式發(fā)布。

Unity Ray Tracing的Key Feature可以總結(jié)為：
?

• 光線追蹤環(huán)境光遮蔽 Ray-Traced Ambient Occlusion
• 光線追蹤接觸陰影 Ray-Traced Contact Shadows
• 光線追蹤全局光照 Ray-Traced Global Illumination
• 光線追蹤反射Ray-Traced Reflections
• 光線追蹤陰影Ray-Traced Shadows
• 遞歸光線追蹤Recursive Ray Tracing

Unity引擎2019年3月發(fā)布的《Reality vs illusion: Unity real-time ray tracing》Demo中，將CG汽車與現(xiàn)實(shí)世界的汽車同時(shí)放在畫(huà)面中。對(duì)比起來(lái)，已經(jīng)很難辨別CG和現(xiàn)實(shí)。
?

2.3 3A游戲：部分產(chǎn)品已加入實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)

到目前為止，不少3A游戲已經(jīng)加入了實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)，包括《戰(zhàn)地5（Battlefield V）》、《使命召喚：現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)（Call of Duty: Modern Warfare）》、《地鐵：離去（Metro Exodus）》、《古墓麗影：暗影(Shadow of the Tomb Raider)》、《雷神之錘2 RTX版 （Quake II RTX）》、《德軍總部：新血脈（Wolfenstein: Youngblood）》等。
?

未來(lái)將發(fā)布的更多的大作，也將具有實(shí)時(shí)光線追蹤特性，比如《看門狗：軍團(tuán) Watch Dogs Legion》、《賽博朋克2077（Cyberpunk 2077）》等。
?

甚至Minecraft都將發(fā)布RTX版：
?

這邊有一個(gè)當(dāng)前所有支持RTX的所有游戲的List（統(tǒng)計(jì)自2019.10月）：

https://www.digitaltrends.com/computing/games-support-nvidia-ray-tracing/

也放一個(gè)NVIDIA出品的Project Sol Part 3實(shí)時(shí)光線追蹤渲染的電影短片：

NVIDIA - Project Sol - Part 3

總之，實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)剛剛開(kāi)始進(jìn)入游戲產(chǎn)品，未來(lái)將有更廣泛的普及。

2.4 主機(jī)平臺(tái)：Play Station 5和Xbox Scarlett都將支持實(shí)時(shí)光線追蹤
?

當(dāng)然，兩個(gè)主要主機(jī)制造商的下一代產(chǎn)品，索尼的Play Station 5和微軟的Xbox Scarlett，都宣布了對(duì)實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)的支持。
?

• Microsoft: E3 2019 Keynote：https://www.youtube.com/watch?v=zeYQ-kPF0iQ
• SONY: What to Expect From SONY’s Next-Gen PlayStation ：https://www.wired.com/story/exclusive-sony-next-gen-console

OK，講了那么多產(chǎn)品級(jí)的應(yīng)用，下面開(kāi)始正篇吧，實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)當(dāng)前業(yè)界的發(fā)展近況，即 State-of-the-Art Real-Time Ray Tracing Technology。

叁 · 實(shí)時(shí)光線追蹤：當(dāng)前業(yè)界技術(shù)發(fā)展近況盤點(diǎn)

要點(diǎn)有：
?

• 混合渲染管線 Hybrid Rendering Pipeline
• 反射 Reflections
• 環(huán)境光遮蔽 Ambient Occlusion
• 陰影 Shadows
• 透明渲染Transparency
• 半透明渲染 Translucency
• 多光源處理 Many Lights
• 粒子渲染Particles
• 基于光線追蹤的全局光照 Ray-traced GI
• 剔除 Culling
• 貼圖LOD | Texture LOD

?

3.1 實(shí)時(shí)光線追蹤：混合渲染管線
?

當(dāng)前業(yè)界主流的實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)都普遍采用了 混合渲染管線（Hybrid Rendering Pipeline）架構(gòu)。混合渲染管線能充分利用光柵化（Rasterization），計(jì)算著色器（Compute Shader）和光線追蹤（Ray Tracing）各自的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于管線的每一個(gè)渲染階段，在光柵化，計(jì)算著色器和光線追蹤中擇優(yōu)使用。

目前主流的混合渲染管線（Hybrid Rendering Pipeline）架構(gòu)的渲染流程可以總結(jié)為：
?

• 延遲著色階段（光柵化）Deferred Shading (rasterization)
• 直接陰影階段（光線追蹤或光柵化）Direct shadows (ray trace or rasterization)
• 光照階段（計(jì)算著色器+光線追蹤）Lighting (compute + ray trace)
• 反射階段（光線追蹤或計(jì)算著色器）Reflections(ray trace or compute)
• 全局光照階段（計(jì)算著色器+光線追蹤）Global Illumination (compute and ray trace)
• 環(huán)境光遮蔽階段（光線追蹤或計(jì)算著色器） Ambient occlusion (ray trace or compute)
• 透明與半透明渲染階段（光線追蹤+計(jì)算著色器）Transparency & Translucency (ray trace and compute)
• 后處理階段（計(jì)算著色器）Post processing (compute)

3.2 實(shí)時(shí)光線追蹤：反射渲染
?

眾所周知，《戰(zhàn)地5》具有非常贊的實(shí)時(shí)光線追蹤反射渲染表現(xiàn)。
?

而業(yè)界當(dāng)前進(jìn)行實(shí)時(shí)光線追蹤反射的主流思路是，每像素需要多于1條光線才能完全表達(dá)基于物理的渲染管線可描述的從粗糙到光滑的材質(zhì)范圍。對(duì)于多層材質(zhì)來(lái)說(shuō)，則會(huì)更加復(fù)雜。

下圖是實(shí)時(shí)光線追蹤反射渲染管線（Real Time Ray Tracing Reflection Pipeline）的圖示：
?

根據(jù)上圖，可以將混合光線追蹤反射管線的渲染步驟總結(jié)為如下六步：
?

• Step 1. 通過(guò)BRDF重要性采樣生成光線，以提供符合材質(zhì)特性的光線。
• Step 2. 通過(guò)屏幕空間光線步進(jìn)（screen-space raymarching）或光線追蹤（ray tracing）來(lái)完成場(chǎng)景相交運(yùn)算。
• Step 3. 在相交運(yùn)算找到交點(diǎn)（intersections）之后，便可以重建反射圖像。該過(guò)程可以就地完成，也可以分別完成，以提高一致性（coherency）。
• Step 4. 內(nèi)核跨像素重用ray hit信息，將圖像采樣到全分辨率。
• Step 5. 為時(shí)域累積通道（temporal accumulation pass）計(jì)算有用信息
• Step 6. 最終，以交叉雙邊濾波器（cross-bilateral filter）的形式對(duì)噪聲進(jìn)行最后的清理

3.3 實(shí)時(shí)光線追蹤：環(huán)境光遮蔽

當(dāng)然，另一種可以很好地遷移到實(shí)時(shí)光線追蹤領(lǐng)域的技術(shù)是環(huán)境光遮蔽（Ambient Occlusion）。
?

Ray Tracing AO可以通過(guò)對(duì)半球可見(jiàn)度函數(shù)的積分，獲得更接近Ground Truth的結(jié)果，因?yàn)椴蓸悠陂g使用的所有隨機(jī)方向?qū)嶋H上都最終出現(xiàn)在場(chǎng)景中的。

其實(shí)，這就是Ray Tracing AO與屏幕空間AO技術(shù)（如SSAO）的主要不同點(diǎn)，因?yàn)樵谄聊豢臻g技術(shù)中，光線會(huì)出射到屏幕之外或幾何體的后方，而此時(shí)命中點(diǎn)是不可見(jiàn)的。

在Ray Tracing AO中，可以通過(guò)圍繞法線進(jìn)行余弦半球采樣來(lái)完成運(yùn)算。光線通常是從G-buffer發(fā)出的，miss shader用于找出是否有擊中目標(biāo)。每幀可以發(fā)射多于1束光線，但是如果限制了光線的距離，即使每幀只有一條光線，也應(yīng)該得到一些很好的漸變效果。

不過(guò)，可能最終需要過(guò)濾和重建，因?yàn)镽ay Tracing AO可能會(huì)有一些噪聲。

下圖是Ray Tracing AO與SSAO對(duì)比，我們可以完全看到光線追蹤AO將環(huán)境光遮蔽的渲染表現(xiàn)提升到了新的高度。
?

3.4 實(shí)時(shí)光線追蹤：陰影渲染

陰影渲染顯然是光線追蹤另一個(gè)出彩的領(lǐng)域。
?

上圖是基于UE4實(shí)時(shí)光線追蹤渲染的場(chǎng)景，其展示了出色的實(shí)時(shí)光線追蹤陰影表現(xiàn)如何讓畫(huà)面更加真實(shí)。

Ray Tracing Shadow 實(shí)現(xiàn)起來(lái)并不太復(fù)雜。 基本思想是向光源發(fā)射光線（launch a ray towards the light），如果光線未命中，則不處于陰影中。
?

而與硬陰影(Hard shadows)相比，軟陰影(soft shadows)可以更好地傳達(dá)物體的真實(shí)感，更加Ground Truth。軟陰影(soft shadows)可以通過(guò)在朝向光的圓錐中按隨機(jī)方向進(jìn)行采樣并將其視為區(qū)域光一樣對(duì)待來(lái)實(shí)現(xiàn)。錐角（cone angle）越寬，陰影越柔和，但噪點(diǎn)越大，因此我們必須對(duì)其進(jìn)行過(guò)濾（filtering）。也可以發(fā)射多條光線，但仍需要進(jìn)行一些過(guò)濾操作。

3.4.1 解析直接光照+隨機(jī)陰影

在基于物理的渲染領(lǐng)域頗有建樹(shù)的學(xué)術(shù)大牛Eric Heitz加入U(xiǎn)nity后，在Ray Tracing Shadow領(lǐng)域又有了新的突破性進(jìn)展。

Eric Heitz于2018年提出了一種結(jié)合了解析直接光照（analytic direct illumination）和隨機(jī)陰影（stochastic shadows）的新方法[13]）。在paper中，他們提出了一種比率估計(jì)器（ratio estimator），該比率估計(jì)器可以將解析光照技術(shù)（analytic illumination techniques）與隨機(jī)光線追蹤陰影（stochastic raytraced shadows）正確組合。
?

通過(guò)將陰影光照分為兩個(gè)部分——解析部分（analytical part）和隨機(jī)部分（stochastic part），他們的方法演示了如何通過(guò)隨機(jī)光線追蹤在圖像的陰影區(qū)域部分獲得清晰和無(wú)噪聲，且解析和視覺(jué)上逼真的陰影。

而僅在需要時(shí)進(jìn)行隨機(jī)求解的優(yōu)點(diǎn)是，最終結(jié)果僅在陰影中有噪聲，而其余部分則通過(guò)解析進(jìn)行處理。該項(xiàng)技術(shù)還將陰影與光照分開(kāi)，因此可以保留高頻陰影細(xì)節(jié)。真的是很贊。

3.4.2 透明陰影渲染
?

在實(shí)時(shí)渲染領(lǐng)域，透明渲染一直都是難題，但是通過(guò)光線追蹤，可以找到一些新的替代方法。

在SEED提供的Demo中，在對(duì)透明表面陰影進(jìn)行渲染時(shí)，他們用遞歸光線追蹤（recursive ray tracing）方法來(lái)替換常規(guī)的陰影光線追蹤方法。當(dāng)光穿過(guò)介質(zhì)時(shí)，會(huì)成倍地進(jìn)行積累吸收。并進(jìn)行薄膜近似（thin film approximation），假設(shè)所有顏色都在表面上，以得到更好的性能。同時(shí)，就像不透明陰影渲染一樣，使用類似的SVGF啟發(fā)式過(guò)濾器對(duì)其進(jìn)行過(guò)濾，可以讓透明陰影也變得柔和。
?

上圖左側(cè)為未過(guò)濾的結(jié)果，游戲買賣右側(cè)為已過(guò)濾的結(jié)果。

同樣，也能實(shí)現(xiàn)類似筆的墨水管的陰影從塑料外殼中傳播出的光線的陰影渲染。

3.5 實(shí)時(shí)光線追蹤：透明渲染和半透明渲染
?

光線追蹤可以準(zhǔn)確地進(jìn)行光的散射，從而在實(shí)現(xiàn)透明渲染和次表面半透明渲染（subsurface translucency）上有天生的優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于透明渲染（Transparency），目前業(yè)界的發(fā)展近況可以概括為：

?

• 正確表示順序無(wú)關(guān)的透明渲染（Order-independent Transparency，OIT）
• 可變的粗糙度，折射和吸收（Variable roughness , refractions and absorption）
• 多IOR過(guò)渡（Multiple index-of-refraction transitions）

?

另外，對(duì)于粗糙玻璃，推薦使用Walter’s參數(shù)化（Walter’s parametrization）和GGX粗糙度重要性采樣（importance sample GGX roughness）。而對(duì)于特別粗糙的材質(zhì)，則需要更多的采樣來(lái)進(jìn)行降噪，也可以使用時(shí)域?yàn)V波。實(shí)踐證明在紋理空間（texture-space）中進(jìn)行渲染是不錯(cuò)的思路。

而對(duì)于半透明渲染（Translucency），目前業(yè)界已可以很好地實(shí)現(xiàn)均勻介質(zhì)內(nèi)部的光散射（Light scattering inside homogeneous medium），在PICA PICA Demo，同樣采用了在紋理空間（texture-space）中進(jìn)行渲染的方案。
?

3.6 實(shí)時(shí)光線追蹤：多光源處理
?

對(duì)于多光源的處理而言，業(yè)界現(xiàn)有方案可以總結(jié)如下兩類：
?

• 基于加速結(jié)構(gòu)的光源選擇（Acceleration structure-based selection）
• 基于重要性采樣的光源選擇（Light Importance Sampling）

其中，基于加速結(jié)構(gòu)的光源選擇（Acceleration structure-based selection）方案的代表性思路可以總結(jié)為：
?

• Unity引擎的方案。基于相機(jī)朝向的加速結(jié)構(gòu)（camera-oriented acceleration structure ）[Benyoub 2019] [Tatarchuk 2019]
• 《戰(zhàn)地5》的方案。水平面光源列表（horizontal plane light list）[Deligiannis 2019]

而基于重要性采樣的光源選擇（Light Importance Sampling）的代表性思路，都是HPG 2019的paper：
?

• Dynamic Many-Light Sampling for Real-Time Ray Tracing [Moreau 2019]
• Stochastic Lightcuts [Yuksel 2019]

其中，《Dynamic Many-Light Sampling for Real-Time Ray Tracing》描述了一種基于兩層BVH的分層光源采樣數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠從10，000個(gè)發(fā)射三角形進(jìn)行交互式直接光照。這使得未來(lái)的實(shí)時(shí)場(chǎng)景可以只用自發(fā)光網(wǎng)格（emissive meshes）來(lái)進(jìn)行光照，非常贊。

3.7 實(shí)時(shí)光線追蹤：粒子系統(tǒng)渲染
?

對(duì)于光線追蹤粒子系統(tǒng)的渲染，《戰(zhàn)地5》解決方案是將粒子朝向光線，有點(diǎn)類似billboard的思想。

而一般方案是維護(hù)兩個(gè)頂層加速結(jié)構(gòu)（Top Level Acceleration Structures, TLAS）：一個(gè)用于不透明幾何體，一個(gè)用于粒子系統(tǒng)。
?

• 首先用不透明幾何體的TLAS發(fā)射光線，如果有命中，則存儲(chǔ)該長(zhǎng)度
• 然后，在粒子系統(tǒng)的TLAS中發(fā)射另一條光線，并從不透明的命中長(zhǎng)度限制該光線長(zhǎng)度
• 然后，便可以相應(yīng)地混合場(chǎng)景中的粒子系統(tǒng)

值得一提的是，另一個(gè)技巧是將奇數(shù)粒子旋轉(zhuǎn)90度。

3.8 實(shí)時(shí)光線追蹤：全局光照
?

光線追蹤硬件的新特性可以給全局光照帶來(lái)各種便利，諸如依靠各種緩存機(jī)制（caching mechanisms）在多個(gè)幀上累積渲染結(jié)果，并提高采樣速度。

可以將業(yè)界主流的基于光線追蹤的全局光照分為如下三類：
?

• 基于面元（Surfels）。Stochastic All The Things: Ray Tracing in Hybrid Real-Time Rendering [Stachowiak 2018]
• 基于網(wǎng)格（Grid）。Experiments with DirectX Raytracing in Remedy’s Northlight Engine [Aalto 2018]
• 基于探針（Probes）。Dynamic Diffuse Global Illumination with Ray-Traced Irradiance Fields [Majercik 2019]

3.9 實(shí)時(shí)光線追蹤：剔除
?

因?yàn)楣饩€追蹤一般是在世界空間中進(jìn)行的，所以無(wú)法使用光柵化方法中比較常用的“視錐剔除（Frustum Culling）”。

如果無(wú)法將所有對(duì)象都放在BVH中，則必須找到一種新的啟發(fā)式剔除方法。《戰(zhàn)地5》的方案是基于投影包圍球（Projected Bounding Sphere）[Deligiannis 2019]，不失為一種有效的方法。

3.10 實(shí)時(shí)光線追蹤：Texture LOD
?

因?yàn)橄袼厮碾A導(dǎo)數(shù)（pixel quad derivatives）只能用于光柵化，所以光線追蹤無(wú)法自動(dòng)進(jìn)行Texture LOD。
?

• 目前的主流方案是依賴于光線差分（Ray Differentials）方法，但其對(duì)性能有一定的影響。
• 在《光線追蹤精粹 (Ray Tracing Gems)》[Akenine-M?ller2019]一書(shū)中，有討論到一種基于光線錐（Ray Cones）的替代技術(shù)，其雖有一些可改進(jìn)的地方，但也算是當(dāng)前不錯(cuò)的方案。

OK，盤點(diǎn)完十個(gè)細(xì)分領(lǐng)域目前的發(fā)展?fàn)顩r，下面接著盤點(diǎn)實(shí)時(shí)光線追蹤業(yè)界當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)，以及未來(lái)的發(fā)展方向。

肆 · 實(shí)時(shí)光線追蹤：業(yè)界當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)

4.1 實(shí)時(shí)光線追蹤處理透明渲染仍有不少問(wèn)題需要攻克
?

在目前的實(shí)時(shí)光線追蹤領(lǐng)域，在1-2 spp（sample per pixel）的情況下，大多數(shù)降噪技術(shù)通常對(duì)于透明渲染、粒子渲染、體積渲染的渲染效果雖說(shuō)相較于光柵化有進(jìn)步，但其實(shí)也并算不上特別理想。

PICA PICA Demo中，雖然采用了具有折射和散射的紋理空間OIT（texture-space OIT）技術(shù)，但也并不完美，有改進(jìn)的空間。

對(duì)于粒子系統(tǒng)和體積特效而言，采用在miss shader中更新體積/裁剪圖、或在hit shader中進(jìn)行光線步進(jìn)（Ray marching in hit shaders）、以及進(jìn)行Non-trivial blending & filtering，都是值得嘗試的方向。

當(dāng)下業(yè)界需要研究出更好的降噪技術(shù)或者相關(guān)方案，以在低spp下帶來(lái)更佳的透明渲染品質(zhì)。
?

對(duì)于局部覆蓋（Partial Coverage）效果的渲染方面，當(dāng)前的降噪技術(shù)并不能很好地適用于實(shí)時(shí)的局部可見(jiàn)性。這是因?yàn)橥ǔＣ肯袼刂挥?采樣（1 spp），并假設(shè)所有內(nèi)容都是不透明的。 也可以在hit shader中進(jìn)行Alpha測(cè)試，并且可以使用一些預(yù)過(guò)濾方法。但是，一旦物體開(kāi)始移動(dòng)，在性能和視覺(jué)表現(xiàn)上就可能出現(xiàn)問(wèn)題。

另外，一些去焦效果（Defocus effects ），例如運(yùn)動(dòng)模糊和景深，使用實(shí)時(shí)光線追蹤也仍然比較棘手。

4.2 對(duì)多變的游戲內(nèi)容環(huán)境的更好兼容
?

對(duì)目前的實(shí)時(shí)光線追蹤領(lǐng)域而言，需要更健壯的技術(shù)體系，來(lái)支持大量動(dòng)畫(huà)角色，豐富的植被，動(dòng)態(tài)的環(huán)境，以及對(duì)開(kāi)放大世界，用戶生成內(nèi)容的穩(wěn)定處理。

4.3 實(shí)時(shí)光線追蹤全局光照：廣闊的空間等待探索
?

首先，實(shí)時(shí)光線追蹤進(jìn)行全局光照，會(huì)遇到即使在離線渲染中也存在的開(kāi)放性問(wèn)題。比如離線渲染中暫未解決的過(guò)高的方差，小孔全局光照（Pinhole GI）等問(wèn)題，在實(shí)時(shí)光線追蹤領(lǐng)域目前同樣是無(wú)法解決。

而且離線渲染方案中的許多解決方案，不一定都可以運(yùn)用到實(shí)時(shí)渲染中。對(duì)于實(shí)時(shí)光線追蹤，目前而言必須借助緩存技術(shù)攤銷著色成本來(lái)達(dá)以交互速率進(jìn)行渲染的性能要求。而在PICA PICA Demo中，基于面元緩存GI（caching of GI via surfels）的方案，也存在僅能從看到的內(nèi)容生成面元的限制。

同樣，業(yè)界也需要解決在不借助任何前期參數(shù)化行為的前提下，對(duì)用戶生成的內(nèi)容進(jìn)行穩(wěn)定的實(shí)時(shí)光線追蹤全局光照的問(wèn)題。

所以基于實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)的全局光照，目前仍然有很多探索空間。

4.4 探索新的實(shí)時(shí)光線追蹤形態(tài)
?

當(dāng)前的實(shí)時(shí)光線追蹤模型假設(shè)光線是與三角形相交的（ray-triangle intersection），但是如果在樹(shù)的上層結(jié)構(gòu)就讓光線停止，會(huì)怎樣？基于這種思考，可以像體素一樣來(lái)對(duì)待AABB，以擴(kuò)展到新的追蹤類型，比如光束追蹤（beam tracing）、射線束（ray bundles），這也就打開(kāi)了實(shí)時(shí)光線追蹤新的方向。

另外，實(shí)時(shí)光線追蹤領(lǐng)域還可以解鎖廣義光線追蹤領(lǐng)域一系列新的算法，比如：
?

• Global Illumination Using Ray-Bundle Tracing [Tokuyoshi 2012]
• Dynamic Diffuse Global Illumination with Ray-Traced Irradiance Fields [Majercik 2019]
• Cone Tracing [Crassin 2011]

另外，也可以參考聲音傳播的方案來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)光線追蹤。

4.5 不斷革新混合渲染管線的技術(shù)形態(tài)
?

對(duì)于目前面世的實(shí)時(shí)光線追蹤的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，《戰(zhàn)地5》等第一批搭載實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)的游戲，以及Unity、UE4引擎的實(shí)時(shí)光線追蹤功能，雖說(shuō)聽(tīng)起來(lái)高大上，其實(shí)并不算完美。按照形象的比喻來(lái)說(shuō)，可能有點(diǎn)像在現(xiàn)有渲染管線上打補(bǔ)丁，做了大量的縫縫補(bǔ)補(bǔ)。
?

在引擎方面，業(yè)界還有很多工作要做，以改進(jìn)現(xiàn)有的渲染方法，最大限度地發(fā)揮混合渲染管線的優(yōu)勢(shì)。

4.6 未來(lái)光線追蹤領(lǐng)域的研究方向
?

就未來(lái)的光線追蹤研究而言，如果涉及到各類光線追蹤的技術(shù)文獻(xiàn)的使用和改進(jìn)，須對(duì)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)約束進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)實(shí)時(shí)渲染的約束，而不僅僅是“正確的光線追蹤”。主要的要點(diǎn)在于制定合理的實(shí)時(shí)渲染預(yù)算以及善用光照傳輸緩存（Light Transport Caches） 技術(shù)。

另外，未來(lái)實(shí)時(shí)光線追蹤的一個(gè)大方向大概率是對(duì)紋理空間技術(shù)（texture space techniques）和可變速率光線追蹤（variable rate ray tracing）的探索。如緩存材質(zhì)（Caching of material）和局部解（partial solutions），以及BRDF拆分（Split the BRDF）。

而在 高效采樣和積分策略（efficient sampling and integration strategies） 以及 重建（reconstruction）方面，業(yè)界也還有很多事情需要去完成。

伍 · 總結(jié)

總之，實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)，在圖形學(xué)發(fā)展的長(zhǎng)河中，目前剛剛起步，發(fā)展勢(shì)頭良好，未來(lái)的路還很長(zhǎng)。

整個(gè)工業(yè)的發(fā)展和技術(shù)的普及，依然任重而道遠(yuǎn)。

同時(shí)也期待即將到來(lái)的GDC 2020，更多實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)業(yè)界新進(jìn)展的發(fā)布。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的实时光线追踪技术：业界发展近况与未来挑战的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

如果覺(jué)得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。