光线追踪以及它的原理是什么？

在现代游戏中，光效是非常重要的一环，而光线追踪堪称迄今为止最神奇的技术了。光线追踪这个东西其实由来已久，不过现在许多人都能用它来渲染出逼真的光线与阴影。

直到不久以前，我们的显卡或主机如果要生成一副输出到显示器上的图像，使用的都是光栅化技术。这个技术能够将 3D 图像转换成我们屏幕上所见的 2D 像素，然后再通过着色器来加上光效。而光线追踪则是另一种不同的方法，虽然目前对硬件的要求较高，但通过追踪虚拟的光线，光追能够生成一些非常好看的图像效果。英伟达的一个视频提供了很好的对比

首先我们要明确一点：光线追踪实际上能够代表多种不同的技术。不过为了本文的介绍目的，我们将基于游戏中肉眼可见的应用来定义光线追踪，也就是对我们来说最重要的地方。

光线追踪的原理是什么？

在电子游戏中，光线追踪本质上是一个模拟光线运动，与环境中其他物体互动，最终到达我们眼中的一套系统。光线会在物体上反射，会穿透一些东西，有时候甚至还会被吸收。所有这些互动需要大量的算力来模拟，但光线追踪正是通过这样的方法来创造出更真实的图像。

Epic Games 在虚幻引擎的光线追踪教程中展示了许多不同的效果对比。在我们的《我的世界》对比视频中，大家也能看到这个技术能为最不真实的画面带来什么样的影响。

我们通常所想的是模拟光线从光源发出，在各个物品上反射之后到达我们眼睛的过程。但实际上绝大多数光线都不会被我们看见，所以在游戏的场景中去追踪这些多余的光线就不重要了，玩家是看不见它们的。所以，光线追踪技术在游戏中应用是逆向的。

华特迪士尼动画工作室在创造 3D 动画时有一个非常棒的步骤来展示这道工序。从你的视角发出一道光线去场景中，这道光线可能会照到游戏中的角色、物体，或者飞向天空，不与任何东西交互。

取决于这道光线照射到的东西，如果是反射性的物体或是表面，那么它就会反射到其他地方去。如果表面粗糙的话，这道光线可能就会反射向不同的角度，甚至可能分离成多道新的光线。经过几次反射后，这道光线会照向光源，它在这个过程中收集到的所有信息就会变成玩家屏幕上的像素。打个比方，如果光线照到灰色岩石后反射到绿色墙壁上再指向光源，那么最后的光线就会是灰色带一抹绿色。

通过为游戏世界中的物体赋予属性，游戏能够模拟出这种真实的光效反应，打造出接近现实中光线反射的视觉效果。

不过要在所有游戏中运用光线追踪受许多因素的影响。要渲染出完整的场景需要大量光线反射许多次。意味着需要模拟出上百万，乃至上亿道光线才能知道最终需要展示什么。这样的工序只会减慢渲染的过程，让光线追踪在游戏中无法实现实时应用。而且有时候也意味着没法模拟出光线最终反射到光源的全过程。

游戏能采取一些折中的解决方案，例如用光栅化来渲染出大部分图像，再加入一些光线追踪来打造出真实的反射或阴影。另一种补足图像信息的方法是图像去噪。原生光线追踪的图像看起来就像是一张独立颜色点组成的像素图，图像去噪技术则能智能平滑处理这些像素，把它们的颜色混合起来，并且加以区分明暗。英伟达展示了图像去噪技术，展示了图像在使用了部分光线追踪后，再加入一些优化前后的对比。