「光線追蹤」這個名詞有聽說過嗎？
如果您不是一名遊戲玩家，那麼大概率是在各類手機發布會上依稀聽過它。就好比前不久的10月31日蘋果發布會上宣布M3系列晶元對該技術的支持。
什麼是光線追蹤？應用場景是什麼？效果又怎麼樣呢？看完文章就明白了。
圖片來源：蘋果官網
一、什麼是光線追蹤？
光線追蹤簡單來講就是模擬現實當中光線的傳播路徑。
光線追蹤（Ray Tracing）是一種在計算機圖形學中用於模擬光線在場景中的傳播和交互的技術。能夠生成高度逼真的圖像，模擬光的反射、折射、陰影、散射等現象，從而產生逼真的光照效果。
圖片來源：GeForce.cn
光線追蹤的原理是從眼睛或攝像機位置發射一條光線，在經過場景中的物體進行反彈、折射或吸收，最終到達光源或被吸收。通過追蹤光線的路徑與交互，計算得到每個像素點的顏色值，從而生成最終圖像。
二、 實時光線追蹤展露頭角
2018年下半年，隨著GeForce RTX 20系列顯卡面世，NVIDIA也將「實時光線追蹤」帶入到大眾視野並引發劇烈討論。同年，微軟將光線追蹤加入DirectX12，宣布了DirectX Ray Tracing（DXR）。
圖片來源：微軟
這一年，也被稱之為實時光線追蹤技術元年。
NVIDIA聯合ILMxLAB（星球大戰遊戲開發工作室）、UE4（虛幻4引擎）發布了基於實時光線追蹤的《星球大戰》Demo。短片引入大量光線追蹤技術，使得效果出類拔萃。但需要注意的是，它不是可以操作的遊戲。
圖片來源：GeForce.cn
還是在2018年，第一款搭載RTX實時光線追蹤且基於「寒霜」（Frostbite）引擎的遊戲《戰地5（Battlefield V）》公之於眾。玩家們首次體驗到了「混合光線追蹤反射」（Hybrid Ray-Traced Reflections）所帶來的震撼效果。
圖片來源：GeForce.cn
三、光線追蹤之前，光柵化是主流
計算機圖形光柵化是將連續的圖形或圖像轉換為由離散的像素組成的柵格圖像的過程。它也是計算機圖形學中最常用的技術之一。
在光柵化過程中，圖形或模型中的每個圖元（例如點、線段、多邊形等）都被分解為一個個像素，計算機通過對這些像素進行繪製和著色來渲染圖像。光柵化使用各種演算法來確定每個像素的屬性，如顏色、紋理、深度等。
那麼光柵化和光線追蹤之間又有什麼區別呢？
光柵化渲染示意圖，圖片來源：Jack Huang's Blog
https://huangwang.github.io/2019/05/26/%E5%85%89%E7%BA%BF%E8%BF%BD%E8%B8%AA%E5%9F%BA%E6%9C%AC%E6%A6%82%E5%BF%B5%E5%85%A5%E9%97%A8/
光柵化是基於離散像素的處理，所以它可以高效地在實時渲染中適用，但處理過程中的細節和精細程度會有損失。
光柵化渲染示意圖，圖片來源：Jack Huang's Blog
https://huangwang.github.io/2019/05/26/%E5%85%89%E7%BA%BF%E8%BF%BD%E8%B8%AA%E5%9F%BA%E6%9C%AC%E6%A6%82%E5%BF%B5%E5%85%A5%E9%97%A8/
其次，光柵化通常使用簡化的光照模型來確定像素的屬性，通過多邊形著色和紋理映像等技術來模擬光照效果。光線追蹤可以使用全局光照模型，能夠更為準確地模擬光線的傳播和反射。
最後在可見性部分，光柵化在繪製圖元時可以使用剔除和隱藏面消除等技術來提高渲染效率，但是在複雜場景中可能存在遮擋問題。光線追蹤則是根據光線的路徑，可以精準確定可見性，避免了遮擋問題。
下面，我們可以來看一下兩者的光源路徑。
光柵化：
點光源——模型表面——肉眼
光線追蹤：
點光源——模型表面——N次反射——肉眼
圖片來源：GeForce.cn 圖片來源：GeForce.cn
光柵化默認光線只反射一次，光線追蹤能夠模擬光線多次反射的路徑。
光柵化更有效率，光線追蹤更加真實，但對性能的要求也更大。
在相同場景下，光柵化的解題思路是光打到的模型（三角形）該用什麼像素去填充。在渲染層面，光柵化是獨立物體單獨渲染，不存在光線的自動化交互，所以即便把反射計算放在二維圖像空間里，也能得到完善。
光線追蹤則由光的「誕生」起始點路徑出發，由於光線路徑存在變數，所以需要將場景提前全部提交至顯卡，故而跟蹤渲染的對象從光柵化的三角形轉變為整個場景。
第一發光線接觸到物體表面時並不會就此止步，而是根據物體材質產生反射、折射、散射等現象。當如上光線特性發生後又會產生新的光線，新的光線又會發生如上的光線特性，直到光線互相抵消。然後圖形處理器會開始回溯計算光線每次打到物體的顏色，最終得到像素的顏色。
可能單一的描述不能夠清晰的了解二者之間的差異，下面將用圖片對比的方式讓大家直觀感受區別，同時也是方便獲悉光線追蹤的幾種特性。
四、光線追蹤開關對比
首先咱們來看「光線追蹤閃光光源」的開關對比。核心關注點可以放在左邊牆體部分。在光線追蹤關閉時，即便角色打開了手電筒，牆體也還是烏漆嘛黑的狀態。除了手電筒的光源照亮面前的房門外，其他地方毫無變化。在開啟光線追蹤後，牆角柱子與牆面之間行程了淡淡的光源，整體感更強。
圖片來源：GeForce.cn
圖片來源：GeForce.cn
第二組來看「光線追蹤軟性陰影」。此選項能夠將陰影展示的邊緣效果作柔和處理，不至於看上去不自然。光線追蹤關閉時，明顯能夠看到圍欄部分的陰影邊緣更銳利，且下方牆面本應存在的光源透射效果沒出來，反而變成一整片陰影的效果。開啟光線追蹤後，不僅圍欄處的分支陰影得到軟化處理，牆面的「光斑」也得以展現。同等畫面下更好的詮釋了夕陽下的意境。
圖片來源：GeForce.cn
圖片來源：GeForce.cn
第三組看「光線追蹤環境光遮蔽」。開關之間的區別主要體現在地面葉片垂直於地面的陰影範圍。開啟光線追蹤後，在模型陰影覆蓋處，葉面與地面之間所產生的陰影質量會更高，質感更強。
圖片來源：GeForce.cn
圖片來源：GeForce.cn
以下對比的是「光線追蹤全局光照」，全局光照（Global Illumination）簡稱GI，可以極大程度增加渲染場景的真實感。由下圖可知，主要光源來源於左上角的太陽，咱們主要看居中的告示牌。上文說過光線追蹤可以發生多次彈射，在開啟狀態下明顯要比未開啟時更清晰，不論是輪廓還是字體。
圖片來源：GeForce.cn
圖片來源：GeForce.cn
最後一組對比的是「光線追蹤反射」，也是遊戲中最容易被玩家直觀感受到差距的選項。反射顧名思義就是讓具備反射特性的材質展現出反射特性。如圖所示，在建築玻璃處，開啟光線追蹤能夠將鏡頭以外的情況「復刻」出來。由於光柵化不存在光線實時彈射，所以即便是製作了相應的反射內容進行填充也經不起玩家實時動態操作變數的試驗。
圖片來源：GeForce.cn
圖片來源：GeForce.cn
五、蘋果及其他廠商為什麼重視光追？
不僅是蘋果、可以說幾乎所有手機廠商都在為移動智能設備使用「光線追蹤」而努力。之所以大力發展的主要原因是光線追蹤的應用場景並非僅有遊戲，它適用於多個領域。
1、影視
光線追蹤廣泛應用於電影特效行業，諸如一些耳熟能詳的視效大片基本都有光線追蹤的影子。它可以為電影增添真實的光影效果，提高真實感。
圖片來源：Epic 虛幻引擎
https://www.unrealengine.com/zh-CN/solutions/film-television
2、渲染引擎開發
現如今已有不少遊戲引擎更新採用了光線追蹤技術，比如EPIC下的虛幻引擎，EA下的寒霜引擎等。
圖片來源：Epic 虛幻引擎
3、遊戲開發
在光線追蹤未應用到遊戲領域時，遊戲畫面的升級還處於不斷對材質模型進行精細化「打磨」。自技術應用後，遊戲畫面的升級迎來飛躍式提升，甚至讓人無法辨別虛擬與現實。
圖片來源：Epic 虛幻引擎
https://www.unrealengine.com/zh-CN/solutions/games
4、 建築設計和室內設計
對於建築及室內設計來說，除了展現建築戶型構造外，光源表現也是一項重點。目前所見到的設計方案當中，光線偏向華麗，往往與真實的光線存在一定程度上的出入，引入光線追蹤後可以模擬出臨近現實的光影效果。
圖片來源：Epic 虛幻引擎｜扎哈•哈迪德建築事務所提供
https://www.unrealengine.com/zh-CN/solutions/architecture
5、 工業設計
在汽車、飛機甚至是軍事裝備等此類複雜產品的設計過程中，光線追蹤可以根據真實光照表現給到明確參考，輔助設計師進行材質選擇。
圖片來源：Epic 虛幻引擎｜由帕加尼提供
https://www.unrealengine.com/zh-CN/solutions/automotive-transportation
6、 醫學圖像分析
醫學圖像分析需要進行三位重建和模擬，在複雜重構中，光線追蹤真實的光流路徑可以起到輔助診斷的作用。
圖片來源：Epic 虛幻引擎｜由Precision OS提供
https://www.unrealengine.com/zh-CN/solutions/simulation
7、 虛擬現實技術
虛擬現實技術目前主要分為AR和VR，光線追蹤可渲染真實的虛擬場景光源，提升用戶沉浸感。
圖片來源：Epic 虛幻引擎
https://www.unrealengine.com/zh-CN/solutions/simulation
https://www.unrealengine.com/zh-CN/solutions/simulation
六、 手機體驗光追面臨的挑戰
手機體驗光追面臨的最大挑戰就是性能。根據上文我們知道了光線追蹤具備不限次數的彈射效果，彈射的越多，損耗的性能越大。所以，即便是PC端目前已能支持光線追蹤的遊戲也不能無限彈射，而是遊戲開發團隊來制定彈射次數。
對於性能更弱於PC端的手機設備來說，能夠體驗的光線追蹤應用在光線彈射次數上必定遭到一定程度的減少。我們可以通過一項測試來簡單了解當下手機與電腦之間在光線追蹤應用上的性能差距。
3DMark是一款電腦測試軟體，可以用來了解用戶所使用電腦的各項圖形性能。8月15日，3DMark推出了一項「Solar Bay」的測試項目，可以跨平台的測試不同設備的光線追蹤性能，以此來對比。
圖片來源：3DMark
用於測試的PC端顯卡為GeForce RTX 4090，手機方面則是三星Galaxy S23 Ultra所搭載的驍龍8Gen2（圖形晶元為Andreno 740）。從測試結果來看，前者的成績是後者的24.5倍，由此可見移動設備平台與桌面端之間的性能差距還有著非常大的距離。
圖片來源：3DMark
所以在CPU與GPU上，各家廠商都在無形當中開啟了一場以「光線追蹤」為基礎的硬體性能「軍備競賽」。例如蘋果最新的M3系列GPU引入全新的架構打造，並加入了全新的動態緩存，以此提高GPU的平均利用率，也加強了高負載應用及遊戲時的性能表現。
圖片來源：蘋果發布會
9月13日，網易《逆水寒》手游於嗶哩嗶哩彈幕網發布視頻宣布率先在蘋果系列支持光線追蹤和實時全局光照。手機體驗光線追蹤的時代已然來臨，隨著越來越多的廠商入局，相信過不了多久相應的光線追蹤應用會如同雨後春筍般湧現。
圖片來源：B站網易逆水寒
七、手機體驗光追的核心痛點
在適應了光線追蹤所帶來的震撼後，一般很難再回到光柵化渲染的場景。從手機本身出發，其顯示屏是體驗光線追蹤的一大劣勢。
相較於電視與顯示器對比之下的小屏幕，使得用戶很難近距離感受光線追蹤所帶來的震撼，同時也影響沉浸感。
其實投屏能夠十分有效的解決這一痛點。
以綠聯Type-C轉HDMI 雷電3/4轉換器（MM141）為例，支持4K 60Hz及2K 144Hz等解析度。大家完全可以將手機、平板、筆記本等設備一線連接至顯示範圍更大的電視或顯示器上，即插即用，十分方便。
有線連接也能保證持續且穩定的畫面傳輸，十分適合連接大屏玩遊戲的用戶。當小屏無法承載精彩絕倫的內容時，投屏到大屏上體驗一覽無餘的感覺豈不是更好的選擇？
大家有體驗過光線追蹤的應用嗎？歡迎在評論區分享！
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