“光线追踪”这个名词有听说过吗？
如果您不是一名游戏玩家，那么大概率是在各类手机发布会上依稀听过它。就好比前不久的10月31日苹果发布会上宣布M3系列芯片对该技术的支持。
什么是光线追踪？应用场景是什么？效果又怎么样呢？看完文章就明白了。
图片来源：苹果官网
一、什么是光线追踪？
光线追踪简单来讲就是模拟现实当中光线的传播路径。
光线追踪（Ray Tracing）是一种在计算机图形学中用于模拟光线在场景中的传播和交互的技术。能够生成高度逼真的图像，模拟光的反射、折射、阴影、散射等现象，从而产生逼真的光照效果。
图片来源：GeForce.cn
光线追踪的原理是从眼睛或摄像机位置发射一条光线，在经过场景中的物体进行反弹、折射或吸收，最终到达光源或被吸收。通过追踪光线的路径与交互，计算得到每个像素点的颜色值，从而生成最终图像。
二、 实时光线追踪展露头角
2018年下半年，随着GeForce RTX 20系列显卡面世，NVIDIA也将“实时光线追踪”带入到大众视野并引发剧烈讨论。同年，微软将光线追踪加入DirectX12，宣布了DirectX Ray Tracing（DXR）。
图片来源：微软
这一年，也被称之为实时光线追踪技术元年。
NVIDIA联合ILMxLAB（星球大战游戏开发工作室）、UE4（虚幻4引擎）发布了基于实时光线追踪的《星球大战》Demo。短片引入大量光线追踪技术，使得效果出类拔萃。但需要注意的是，它不是可以操作的游戏。
图片来源：GeForce.cn
还是在2018年，第一款搭载RTX实时光线追踪且基于“寒霜”（Frostbite）引擎的游戏《战地5（Battlefield V）》公之于众。玩家们首次体验到了“混合光线追踪反射”（Hybrid Ray-Traced Reflections）所带来的震撼效果。
图片来源：GeForce.cn
三、光线追踪之前，光栅化是主流
计算机图形光栅化是将连续的图形或图像转换为由离散的像素组成的栅格图像的过程。它也是计算机图形学中最常用的技术之一。
在光栅化过程中，图形或模型中的每个图元（例如点、线段、多边形等）都被分解为一个个像素，计算机通过对这些像素进行绘制和着色来渲染图像。光栅化使用各种算法来确定每个像素的属性，如颜色、纹理、深度等。
那么光栅化和光线追踪之间又有什么区别呢？
光栅化渲染示意图，图片来源：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/
光栅化是基于离散像素的处理，所以它可以高效地在实时渲染中适用，但处理过程中的细节和精细程度会有损失。
光栅化渲染示意图，图片来源：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，光栅化通常使用简化的光照模型来确定像素的属性，通过多边形着色和纹理映像等技术来模拟光照效果。光线追踪可以使用全局光照模型，能够更为准确地模拟光线的传播和反射。
最后在可见性部分，光栅化在绘制图元时可以使用剔除和隐藏面消除等技术来提高渲染效率，但是在复杂场景中可能存在遮挡问题。光线追踪则是根据光线的路径，可以精准确定可见性，避免了遮挡问题。
下面，我们可以来看一下两者的光源路径。
光栅化：
点光源——模型表面——肉眼
光线追踪：
点光源——模型表面——N次反射——肉眼
图片来源：GeForce.cn 图片来源：GeForce.cn
光栅化默认光线只反射一次，光线追踪能够模拟光线多次反射的路径。
光栅化更有效率，光线追踪更加真实，但对性能的要求也更大。
在相同场景下，光栅化的解题思路是光打到的模型（三角形）该用什么像素去填充。在渲染层面，光栅化是独立物体单独渲染，不存在光线的自动化交互，所以即便把反射计算放在二维图像空间里，也能得到完善。
光线追踪则由光的“诞生”起始点路径出发，由于光线路径存在变量，所以需要将场景提前全部提交至显卡，故而跟踪渲染的对象从光栅化的三角形转变为整个场景。
第一发光线接触到物体表面时并不会就此止步，而是根据物体材质产生反射、折射、散射等现象。当如上光线特性发生后又会产生新的光线，新的光线又会发生如上的光线特性，直到光线互相抵消。然后图形处理器会开始回溯计算光线每次打到物体的颜色，最终得到像素的颜色。
可能单一的描述不能够清晰的了解二者之间的差异，下面将用图片对比的方式让大家直观感受区别，同时也是方便获悉光线追踪的几种特性。
四、光线追踪开关对比
首先咱们来看“光线追踪闪光光源”的开关对比。核心关注点可以放在左边墙体部分。在光线追踪关闭时，即便角色打开了手电筒，墙体也还是乌漆嘛黑的状态。除了手电筒的光源照亮面前的房门外，其他地方毫无变化。在开启光线追踪后，墙角柱子与墙面之间行程了淡淡的光源，整体感更强。
图片来源：GeForce.cn
图片来源：GeForce.cn
第二组来看“光线追踪软性阴影”。此选项能够将阴影展示的边缘效果作柔和处理，不至于看上去不自然。光线追踪关闭时，明显能够看到围栏部分的阴影边缘更锐利，且下方墙面本应存在的光源透射效果没出来，反而变成一整片阴影的效果。开启光线追踪后，不仅围栏处的分支阴影得到软化处理，墙面的“光斑”也得以展现。同等画面下更好的诠释了夕阳下的意境。
图片来源：GeForce.cn
图片来源：GeForce.cn
第三组看“光线追踪环境光遮蔽”。开关之间的区别主要体现在地面叶片垂直于地面的阴影范围。开启光线追踪后，在模型阴影覆盖处，叶面与地面之间所产生的阴影质量会更高，质感更强。
图片来源：GeForce.cn
图片来源：GeForce.cn
以下对比的是“光线追踪全局光照”，全局光照（Global Illumination）简称GI，可以极大程度增加渲染场景的真实感。由下图可知，主要光源来源于左上角的太阳，咱们主要看居中的告示牌。上文说过光线追踪可以发生多次弹射，在开启状态下明显要比未开启时更清晰，不论是轮廓还是字体。
图片来源：GeForce.cn
图片来源：GeForce.cn
最后一组对比的是“光线追踪反射”，也是游戏中最容易被玩家直观感受到差距的选项。反射顾名思义就是让具备反射特性的材质展现出反射特性。如图所示，在建筑玻璃处，开启光线追踪能够将镜头以外的情况“复刻”出来。由于光栅化不存在光线实时弹射，所以即便是制作了相应的反射内容进行填充也经不起玩家实时动态操作变量的试验。
图片来源：GeForce.cn
图片来源：GeForce.cn
五、苹果及其他厂商为什么重视光追？
不仅是苹果、可以说几乎所有手机厂商都在为移动智能设备使用“光线追踪”而努力。之所以大力发展的主要原因是光线追踪的应用场景并非仅有游戏，它适用于多个领域。
1、影视
光线追踪广泛应用于电影特效行业，诸如一些耳熟能详的视效大片基本都有光线追踪的影子。它可以为电影增添真实的光影效果，提高真实感。
图片来源：Epic 虚幻引擎
https://www.unrealengine.com/zh-CN/solutions/film-television
2、渲染引擎开发
现如今已有不少游戏引擎更新采用了光线追踪技术，比如EPIC下的虚幻引擎，EA下的寒霜引擎等。
图片来源：Epic 虚幻引擎
3、游戏开发
在光线追踪未应用到游戏领域时，游戏画面的升级还处于不断对材质模型进行精细化“打磨”。自技术应用后，游戏画面的升级迎来飞跃式提升，甚至让人无法辨别虚拟与现实。
图片来源：Epic 虚幻引擎
https://www.unrealengine.com/zh-CN/solutions/games
4、 建筑设计和室内设计
对于建筑及室内设计来说，除了展现建筑户型构造外，光源表现也是一项重点。目前所见到的设计方案当中，光线偏向华丽，往往与真实的光线存在一定程度上的出入，引入光线追踪后可以模拟出临近现实的光影效果。
图片来源：Epic 虚幻引擎｜扎哈•哈迪德建筑事务所提供
https://www.unrealengine.com/zh-CN/solutions/architecture
5、 工业设计
在汽车、飞机甚至是军事装备等此类复杂产品的设计过程中，光线追踪可以根据真实光照表现给到明确参考，辅助设计师进行材质选择。
图片来源：Epic 虚幻引擎｜由帕加尼提供
https://www.unrealengine.com/zh-CN/solutions/automotive-transportation
6、 医学图像分析
医学图像分析需要进行三位重建和仿真，在复杂重构中，光线追踪真实的光流路径可以起到辅助诊断的作用。
图片来源：Epic 虚幻引擎｜由Precision OS提供
https://www.unrealengine.com/zh-CN/solutions/simulation
7、 虚拟现实技术
虚拟现实技术目前主要分为AR和VR，光线追踪可渲染真实的虚拟场景光源，提升用户沉浸感。
图片来源：Epic 虚幻引擎
https://www.unrealengine.com/zh-CN/solutions/simulation
https://www.unrealengine.com/zh-CN/solutions/simulation
六、 手机体验光追面临的挑战
手机体验光追面临的最大挑战就是性能。根据上文我们知道了光线追踪具备不限次数的弹射效果，弹射的越多，损耗的性能越大。所以，即便是PC端目前已能支持光线追踪的游戏也不能无限弹射，而是游戏开发团队来制定弹射次数。
对于性能更弱于PC端的手机设备来说，能够体验的光线追踪应用在光线弹射次数上必定遭到一定程度的减少。我们可以通过一项测试来简单了解当下手机与电脑之间在光线追踪应用上的性能差距。
3DMark是一款电脑测试软件，可以用来了解用户所使用电脑的各项图形性能。8月15日，3DMark推出了一项“Solar Bay”的测试项目，可以跨平台的测试不同设备的光线追踪性能，以此来对比。
图片来源：3DMark
用于测试的PC端显卡为GeForce RTX 4090，手机方面则是三星Galaxy S23 Ultra所搭载的骁龙8Gen2（图形芯片为Andreno 740）。从测试结果来看，前者的成绩是后者的24.5倍，由此可见移动设备平台与桌面端之间的性能差距还有着非常大的距离。
图片来源：3DMark
所以在CPU与GPU上，各家厂商都在无形当中开启了一场以“光线追踪”为基础的硬件性能“军备竞赛”。例如苹果最新的M3系列GPU引入全新的架构打造，并加入了全新的动态缓存，以此提高GPU的平均利用率，也加强了高负载应用及游戏时的性能表现。
图片来源：苹果发布会
9月13日，网易《逆水寒》手游于哔哩哔哩弹幕网发布视频宣布率先在苹果系列支持光线追踪和实时全局光照。手机体验光线追踪的时代已然来临，随着越来越多的厂商入局，相信过不了多久相应的光线追踪应用会如同雨后春笋般涌现。
图片来源：B站网易逆水寒
七、手机体验光追的核心痛点
在适应了光线追踪所带来的震撼后，一般很难再回到光栅化渲染的场景。从手机本身出发，其显示屏是体验光线追踪的一大劣势。
相较于电视与显示器对比之下的小屏幕，使得用户很难近距离感受光线追踪所带来的震撼，同时也影响沉浸感。
其实投屏能够十分有效的解决这一痛点。
以绿联Type-C转HDMI 雷电3/4转换器（MM141）为例，支持4K 60Hz及2K 144Hz等分辨率。大家完全可以将手机、平板、笔记本等设备一线连接至显示范围更大的电视或显示器上，即插即用，十分方便。
有线连接也能保证持续且稳定的画面传输，十分适合连接大屏玩游戏的用户。当小屏无法承载精彩绝伦的内容时，投屏到大屏上体验一览无余的感觉岂不是更好的选择？
大家有体验过光线追踪的应用吗？欢迎在评论区分享！
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