對于那些想要獲得現(xiàn)實感的藝術(shù)家或開發(fā)人員而言，一款可以模擬光在場景中發(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)建視覺效果的功能)十分重要。這就需要在處理每個像素時，對場景有一個全方位的了解，這里不是指最常見的渲染技術(shù)，而是需要實時的光柵化渲染器。

出版物：VRTech

作者：PVR演示工程主要應用工程師Mathieu Einig

例如，在光柵化中渲染像素時，以下數(shù)據(jù)可用：

? 單點表面數(shù)據(jù) (如，點的位置、顏色)

? 一些通用的全局值(如，3個最近的光源位置、當前時間、攝像機方向)

? 一些紋理

但僅有這些可用的數(shù)據(jù)，我們會發(fā)現(xiàn)，評估光線如何在場景中折返仍是非常困難。有一些方法可以評估近似的值，但卻往往相當?shù)托В忆秩举|(zhì)量差，經(jīng)常讓最終用戶很失望 (近似值使用的無效方法降低了幀率)。同時，這個方法錯綜復雜，讓開發(fā)人員十分為難。

圖1：沒有任何環(huán)境(左)的渲染生成的圖像看起來像人造圖像。有了環(huán)境(右)的圖像看起來更自然，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：當渲染像素時，發(fā)送光線到場景中來探測周邊環(huán)境。如果當前點和光源之間的光線被一些幾何圖形阻斷，便會產(chǎn)生一個陰影。如果使用光線匹配附近物體的顏色，便會獲得反射光。傳統(tǒng)的渲染器中未實現(xiàn)的圖像效果在其設計中開始變得符合邏輯，且在執(zhí)行時變得很簡單。

是的，除了所需的處理能力，一切事情皆十分簡單。其優(yōu)勢是明顯的，但為何光線追蹤卻不常使用呢?原因很簡單：向場景發(fā)射光線并且找到與幾何圖形的交集非常復雜，計算量大。這就是為何，歷來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

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，甚至高出了一個數(shù)量級。

過去，有人則聲稱使用其硬件已解決了實時光線追蹤，但后來都以失敗告終。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時渲染API OpenGL ES和Vulkan中，這意味著，開發(fā)人員不需要切換到一些效果不佳的專有渲染器中。此外，光線追蹤可以與光柵圖像混合，這樣，在現(xiàn)有的游戲和應用程序中集成新的追蹤效果便非常簡單。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定義效果，如基本的反射和折射、或硬陰影。而有了這個解決方案，光線追蹤將成為一個工具，允許將一個全新的范例無縫集成到現(xiàn)有的引擎中，讓開發(fā)人員以任何他們想要的方式使用，甚至是無人嘗試過的方式。

圖2：擁有一個完全可編程的光線追蹤系統(tǒng)使開發(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)作為光預處理工具，集成在Unity游戲引擎中，這是模式轉(zhuǎn)換一個很好的案例：使用全新的更佳的方案來解決舊有的問題，即便這些問題已經(jīng)得到滿意的解決。

光照貼圖，即在創(chuàng)建3D環(huán)境時預先對復雜的光線相互作用進行計算 (用于游戲或架構(gòu)視覺化)，歷來是一個非常漫長而乏味的過程。對場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的等待時間，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問題：用戶可以得到即時但粗糙的結(jié)果，隨后，粗糙的結(jié)果越來越精細。這意味著，如果出現(xiàn)錯誤，它還可以及時糾正，節(jié)省了大量的時間。

ImaginaTIon與多個行業(yè)領先的中間件供應商合作，以確保可以解決傳統(tǒng)的“雞和蛋的問題”，并通過將光線追蹤功能納入這些引擎中，使應用程序中能包涵光線追蹤的特性，這樣使得開發(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使用光線追蹤。例如，在虛擬現(xiàn)實(VR)中，光線跟蹤在渲染過程的第一階段便開始對抗透鏡畸變，而不是像光柵化一樣，在渲染最后階段移動和拉伸像素。這樣處理效果會更好，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，實施漏斗狀渲染則非常簡單，它追隨人眼，繪制人眼所見的最詳細的圖像，并不斷精密化。

隨著虛擬現(xiàn)實愈發(fā)成熟，開發(fā)人員開始尋找方法來進一步提高現(xiàn)實存在感。物理和環(huán)境感知聲音的設計已成為一個改進的重要目標區(qū)域。例如，回波仿真可以幫助用戶獲得額外的空間意識，提高虛擬現(xiàn)實體驗的可信度。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提升沉浸感。