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2019-02-13 00:15 出处:PConline原创 作者:莱布尼兹 责任编辑:xieboxu

  【PConline 杂谈】最近更新一波的搭载了RTX系显卡的游戏本可谓是层出不穷,终于登陆笔记本平台的光追效果,也的确带来了更为细腻的光照表现和写实的光影效果——它的灵感来源于自然界复杂的光线传播方式,并在几十年前的大洋彼岸,第一次被提了出来。在几十年间的计算机图形学发展过程中,这一技术经历了什么,又有着怎样的发展呢?

  最初,上帝说要有光,于是便有了光。在自然界中,光源发出的光线会不断地向前传播,直到遇到一个妨碍它继续传播的物体表面——把“光线”看作在一串在同样路径中传输的光子流的话,在完全的真空中,这条光线将是一条标准的直线。但是实际上,由于大气折射,引力效应、材质反射等多种因素——在现实中,光子流实际上是会被吸收、反射与折射的——物体表面可能在一个或者多个方向反射全部或者部分的光线,并有可能吸收部分光线,使得最终光线以种种形式,不同的强度,反射或者折射进人的眼睛。

光线追踪

而物理学中的光线追踪,指的就是一种通过种种方法对光线进行追踪的方法。

光线追踪

不过,这一点在计算机图形学中却有所不同——作为三维计算机图形学中的特殊渲染算法,光线追踪的原理颇有把物理中“光线追踪”方法反过来用的意味——它通过将光的路径跟踪为图像平面中的像素并模拟其与虚拟对象的相遇来生成图像,从而产生高度拟真的光影效果,还可以轻松模拟各种光学效果(例如反射和折射,散射和色散现象(例如色差))——唯一的缺点,就是它相对较高的计算成本了。

光线追踪

最初提出的类似概念,是1968年Arthur Appel首次提出的光线投射算法。光线投射的基础是从眼睛(游戏镜头)投射光线到物体上的每个点,查找阻挡光线的最近物体,并根据材料的特性以及场景中的光线效果,来确定物体的光影及浓淡效果——比如说,如果表面面向光线,那么这个表面就会在渲染的时候被判定为明面(而不是处于阴影中)。

光线追踪

光线投射的一个重要优点就是它能够很容易地处理非平面的表面以及实体,如圆锥和球体等。

这也为之后的图形技术奠定了基础,1979年,Turner Whitted提出了全新的渲染理念——从眼睛到场景投射光线却并不跟踪这些光线的算法,虽然解决了计算机图形学中光照的基本明暗交错的问题,但对于模拟现实中复杂的光照情况却无能为力。当光线碰到一个物体表面的时候,实际上是会产生三种新类型的光线的:它们分别是反射、折射与阴影——对于光滑的物体表面而言,将光线按照镜像反射的方向反射出去,直接投射相应的光照效果和阴影就可以了,但是透明物质呢?

在透明物质中传输的光线虽然会以类似的方式传播,但是想要实现与现实世界相同的折射效果,就需要在计算机模拟场景中跟踪这些光线的光路了,而实现这一跟踪的效果,就需要复杂的算法、函数来实现了。

光线追踪

最终,位于纽约的Mathematical Applications Group(MAGI)公司的科学家首次将光线追踪技术用于了生成计算机图形。这个公司是1966 年,为了替美国国防部计算放射性污染而成立的,在之后的岁月里,MAGI不仅通过这一技术计算并测量了伽马射线是如何从表面进行反射的(辐射的光线投射自从二十世纪四十年代就已经开始计算了),还计算了它们穿透以及折射的方式——这些研究工作最终帮助美国政府建造了能够保护军队避免辐射的军用车辆,并设计了可以重入太空探索的交通工具。

此外,在Philip Mittelman博士的指导下,科学家们还开发了一种使用同样软件生成图像的方法——这使得这家公司也在1972 年转变成了一个商业动画工作室,他们使用这一技术,为商业电视、教育电影以及故事片制作了大量的三维计算机动画——比如Tron(创战纪的前一部电影)中的绝大部分动画(不过MAGI最后还是于1985年破产了)。

tron

这是第一次人类用计算机生成拥有复杂光照效果的图像——虽然同后世的作品无法相比,但它在历史上却留下了浓墨重彩的一笔,在之后的岁月里,技术的发展为我们带来了更为逼真的图像技术,现在意义的实时光追最终是怎么实现的,它有哪些优缺点,又意味着什么呢?这里就先买个小关子,咱们下次再聊,大家,新年快乐咯。

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