光线追踪管线

光线追踪是一种模拟真实光路传播的渲染技术，与光栅化管线的"从物体到屏幕"的投影思路完全不同，光线追踪采用"从相机到场景"的反向追踪方式：从相机发射光线，追踪光线在场景中的传播路径，计算与物体的交互、反射、折射和阴影，最终累积颜色值。

这种技术天然支持全局光照、软阴影、反射折射等高级效果，渲染结果接近物理真实，是电影特效和高端可视化的首选方案。但代价是计算成本极高，每个像素需要追踪多条光线，每条光线可能经过多次反射折射，计算量随场景复杂度指数级增长。近年来随着 GPU 硬件加速（NVIDIA RT Core）和降噪算法的进步，实时光线追踪逐渐成为可能，现代游戏引擎普遍采用光栅化 + 光线追踪的混合管线。

核心思想差异

光栅化和光线追踪的根本差异在于光线的模拟方向。光栅化正向模拟：光源发射光线，照射到物体，反射到相机。但实际计算时完全不考虑光路，只做几何投影和像素填充，光照是事后模拟的。光线追踪反向模拟：从相机每个像素发射光线，追踪其在场景中的传播，计算与物体的交互，递归追踪反射折射，模拟真实光路。

从遮挡处理角度看，光栅化使用深度缓冲，物体绘制顺序无关，光栅化速度极快但遮挡关系是近似的。光线追踪通过求交测试，精确计算光线与物体的交点，遮挡关系是精确的，但求交计算量巨大。

光照效果方面，光栅化的光照是局部的，只考虑直接光照，阴影需要特殊技巧（shadow map），反射折射需要特殊处理。光线追踪的光照是全局的，自然支持间接光照、软阴影、颜色渗透，反射折射是算法天然特性。

主要流程

光线追踪管线虽然不像光栅化那样有严格的硬件管线阶段，但仍可以分解为以下主要步骤，从 CPU 端的场景构建到 GPU 端的并行光线追踪。

场景构建

光线追踪对场景数据的要求与光栅化不同，需要专门的场景加速结构。

• 任务：

  • 几何预处理：将所有模型转换为三角形网格或隐式曲面（球、圆柱等数学曲面）
  • 加速结构构建：构建 BVH（包围盒层次结构）、KD-Tree 或光束加速结构，用于快速求交
  • 材质与纹理：准备 PBR 材质参数（反照率、金属度、粗糙度）、纹理贴图
  • 光源布置：点光源、面光源、环境光（IBL）、日光

• 优化点：

  • 静态场景预构建加速结构，动态场景增量更新
  • 使用实例化（Instancing）减少重复几何的内存占用
  • 按材质或空间位置分组，提高缓存命中率

光线生成

从相机为每个像素生成主光线，是整个光线追踪过程的起点。

• 任务：

  • 相机参数：视口大小、纵横比、FOV（视野角度）、相机位置和朝向
  • 主光线生成：为每个像素计算一条从相机出发，穿过该像素的光线
  • 抗锯齿：每个像素发射多条光线（超采样），随机偏移子像素位置（Jittering）
  • 景深：模拟光圈，从镜头不同位置发射多条光线

• 优化点：

  • 使用低差异序列（Sobol、Halton）替代随机采样，减少噪点
  • 自适应采样：对高频区域（边缘、反射）更多采样，平坦区域更少采样
  • 分层采样：将像素分成网格，每格采样一次，避免集群效应

求交测试

计算光线与场景中物体的交点，是光线追踪中最耗时也是最核心的步骤。

• 任务：

  • 加速结构遍历：从 BVH 根节点开始，递归测试光线与包围盒的相交
  • 叶节点测试：对光线与叶节点的三角形进行精确求交（Möller-Trumbore 算法）
  • 最近交点：记录沿光线方向最近的交点，用于后续着色
  • 透明物体：处理多个交点，计算进入和退出点

• 优化点：

  • 包围盒测试使用 AABB slab 方法，快速剔除
  • 预排序子节点，优先测试更近的包围盒
  • 使用光线包（Ray Packet）并行测试多条光线，提高 SIMD 利用率

局部着色

对每个交点计算直接光照和材质属性，类似于光栅化的片段着色。

• 任务：

  • 材质求值：根据交点处的纹理坐标采样材质贴图，计算 BRDF（双向反射分布函数）
  • 直接光照：对每个光源生成阴影光线，测试是否被遮挡，累加光照贡献
  • 法线计算：从纹理贴图或几何插值获取法线，用于光照计算
  • 多次散射：对粗糙材质发射多条随机光线，模拟次表面散射

• 优化点：

  • 使用重要性采样（Importance Sampling）按 BRDF 分布采样，减少方差
  • 光源采样：对面光源按立体角采样，而非均匀采样
  • 延迟材质求值：对间接光照先追踪路径，最后计算材质

递归追踪

这是光线追踪的精髓，递归追踪反射、折射和间接光照光线。

• 任务：

  • 反射光线：根据入射方向和法线计算镜面反射方向，递归追踪
  • 折射光线：根据斯涅尔定律计算透射方向，处理进入和退出介质
  • 间接光照：随机采样半球方向，追踪来自环境的光线（路径追踪）
  • 菲涅尔效应：根据入射角度和材质计算反射和折射的比例
  • 俄罗斯轮盘赌：随机终止递归，避免无限递归，同时保证无偏估计

• 优化点：

  • 设置最大递归深度（通常 3-5 次），超过深度的光线返回环境光
  • 使用光束追踪（Beam Tracing）或光锥追踪，近似计算间接光照
  • 路径复用：相邻像素共享部分光线路径，减少计算量

路径追踪

现代光线追踪采用路径追踪算法，通过蒙特卡洛积分计算全局光照。

• 任务：

  • 随机采样：每次反射按 BRDF 分布随机采样出射方向
  • 通路累积：沿光路累积光照贡献，考虑距离衰减和吸收
  • 多次迭代：每个像素追踪多条路径，平均结果得到无偏估计
  • 环境光采样：对天空盒或环境光贴图采样，处理无限远光源

• 优化点：

  • 下一事件估计（Next Event Estimation）：每步直接对光源采样，结合间接光照
  • 多重重要性采样（MIS）：结合 BSDF 采样和光源采样，减少方差
  • 降噪后处理：使用空间滤波或时间累积，减少采样次数

与光栅化管线的对比

方面	光栅化管线	光线追踪管线
核心思想	从物体投影到屏幕	从相机发射光线追踪
遮挡处理	深度缓冲（Z-buffer）	精确求交测试
光照类型	直接光照（局部）	全局光照（间接）
反射折射	需特殊处理（屏幕空间反射、平面反射）	算法天然支持
阴影质量	Shadow Map（硬阴影或半软阴影）	面光源软阴影（精确）
性能特点	速度快，实时性好	计算量大，实时性差
应用场景	游戏、实时渲染	电影、离线渲染、高端可视化
硬件加速	GPU 通用计算	硬件光追单元（RT Core）

现代混合管线

纯光线追踪的计算成本仍然过高，现代游戏引擎普遍采用混合管线：光栅化处理几何和遮挡，光线追踪处理特定的光照效果。

• 光栅化基础：使用传统的光栅化管线渲染场景，利用深度缓冲和批处理优化
• 光线追踪增强：在光栅化结果上叠加光线追踪的效果
  • 反射：对反射表面使用光线追踪，而非屏幕空间近似
  • 阴影：对关键光源使用光线追踪软阴影
  • 环境光遮蔽：使用光线追踪计算更准确的 AO
  • 全局光照：对静态场景预烘焙，或使用有限的反射次数

这种混合方案在视觉质量和性能之间取得了平衡，是当前实时光线追踪的主流方案。