正在閱讀:上帝說要有光 於是技術人員搞出了光線追蹤上帝說要有光 於是技術人員搞出了光線追蹤

2019-02-13 00:15 出處:PConline原創 作者:萊布尼茲 責任編輯:xieboxu

  【PConline 雜談】最近更新一波的搭載了RTX系顯卡的游戲本可謂是層出不窮,終於登陸筆記本平台的光追效果,也的確帶來了更為細膩的光照表現和寫實的光影效果——它的靈感來源於自然界複雜的光線傳播方式,並在幾十年前的大洋彼岸,第一次被提了出來。在幾十年間的電腦圖形學發展過程中,這一技術經歷了什麼,又有著怎樣的發展呢?

  最初,上帝說要有光,於是便有了光。在自然界中,光源發出的光線會不斷地向前傳播,直到遇到一個妨礙它繼續傳播的物體表面——把“光線”看作在一串在同樣路徑中傳輸的光子流的話,在完全的真空中,這條光線將是一條標準的直線。但是實際上,由於大氣折射,引力效應、材質反射等多種因素——在現實中,光子流實際上是會被吸收、反射與折射的——物體表面可能在一個或者多個方向反射全部或者部分的光線,並有可能吸收部分光線,使得最終光線以種種形式,不同的強度,反射或者折射進人的眼睛。

而物理學中的光線追蹤,指的就是一種透過種種方法對光線進行追蹤的方法。

不過,這一點在電腦圖形學中卻有所不同——作為三維電腦圖形學中的特殊渲染算法,光線追蹤的原理頗有把物理中“光線追蹤”方法反過來用的意味——它透過將光的路徑跟蹤為圖像平面中的像素並模擬其與虛擬對象的相遇來產生圖像,從而產生高度擬真的光影效果,還可以輕鬆模擬各種光學效果(例如反射和折射,散射和色散現象(例如色差))——唯一的缺點,就是它相對較高的計算成本了。

最初提出的類似概念,是1968年Arthur Appel首次提出的光線投射算法。光線投射的基礎是從眼睛(游戲鏡頭)投射光線到物體上的每個點,查找阻擋光線的最近物體,並根據材料的特性以及場景中的光線效果,來確定物體的光影及濃淡效果——比如說,如果表面面向光線,那麼這個表面就會在渲染的時候被判定為明面(而不是處於陰影中)。

光線投射的一個重要優點就是它能夠很容易地處理非平面的表面以及實體,如圓錐和球體等。

這也為之後的圖形技術奠定了基礎,1979年,Turner Whitted提出了全新的渲染理念——從眼睛到場景投射光線卻並不跟蹤這些光線的算法,雖然解決了電腦圖形學中光照的基本明暗交錯的問題,但對於模擬現實中複雜的光照情況卻無能為力。當光線碰到一個物體表面的時候,實際上是會產生三種新類型的光線的:它們分別是反射、折射與陰影——對於光滑的物體表面而言,將光線按照鏡像反射的方向反射出去,直接投射相應的光照效果和陰影就可以了,但是透明物質呢?

在透明物質中傳輸的光線雖然會以類似的方式傳播,但是想要實現與現實世界相同的折射效果,就需要在電腦模擬場景中跟蹤這些光線的光路了,而實現這一跟蹤的效果,就需要複雜的算法、函數來實現了。

最終,位於紐約的Mathematical Applications Group(MAGI)公司的科學家首次將光線追蹤技術用於了產生電腦圖形。這個公司是1966 年,為了替美國國防部計算放射性污染而成立的,在之後的歲月堙AMAGI不僅透過這一技術計算並測量了伽馬射線是如何從表面進行反射的(輻射的光線投射自從二十世紀四十年代就已經開始計算了),還計算了它們穿透以及折射的方式——這些研究工作最終幫助美國政府建造了能夠保護軍隊避免輻射的軍用車輛,並設計了可以重入太空探索的交通工具。

此外,在Philip Mittelman博士的指導下,科學家們還開發了一種使用同樣軟體產生圖像的方法——這使得這家公司也在1972 年轉變成了一個商業動畫工作室,他們使用這一技術,為商業電視、教育電影以及劇情片制作了大量的三維電腦動畫——比如Tron(創戰紀的前一部電影)中的絕大部分動畫(不過MAGI最後還是於1985年破產了)。

這是第一次人類用電腦產生擁有複雜光照效果的圖像——雖然同後世的作品無法相比,但它在歷史上卻留下了濃墨重彩的一筆,在之後的歲月堙A技術的發展為我們帶來了更為逼真的圖像技術,現在意義的即時光追最終是怎麼實現的,它有哪些優缺點,又意味著什麼呢?這裡就先買個小關子,咱們下次再聊,大家,新年快樂咯。

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