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关键点
- 路径追踪是一种用于给三维数字图像添加逼真照明效果的基于计算机的方法。
- 计算机生成的图像或渲染以场景文件的形式进行处理。
- 路径追踪是将计算机图形转化为逼真的照片质量图像的关键。
如果你对于出色的游戏或图形体验的技术方面感兴趣，或者正在寻找能够处理最先进的图形技术的gpu，你就需要了解路径追踪。
随着计算机图形变得越来越复杂，路径追踪对于计算机生成图像的质量和逼真度产生了革命性的影响。但是，你需要正确的硬件才能充分发挥这种图形技术的优势。
了解什么是路径追踪可以帮助你评估它如何在不降低gpu速度和性能的情况下增强你的图形体验。
在本文中，我们将解释什么是路径追踪，它的工作原理以及路径追踪对gpu处理的影响。
让我们开始吧！
什么是路径追踪？
路径追踪是一种用于给三维数字图像添加逼真照明效果的基于计算机的方法。它使用一组称为蒙特卡洛方法的计算机算法来确定图像上应该出现亮光的位置。
这种数学计算确定了整个图像上的亮度水平，以得出物体表面的一个单一起点。路径追踪函数然后将亮度水平分配给处理后图像的每个像素。
路径追踪是一种渲染类型
渲染是图像合成，使用软件创建逼真的二维或三维计算机图像。
渲染是三维图形制作的重要组成部分，路径追踪和其他效果应用于图像以赋予其最终外观。计算机生成的图像或渲染以场景文件的形式进行处理，其中包含定义输出数字图像的几何形状、纹理、照明和着色的数据。
路径追踪模拟自然照明
路径追踪是将计算机图形转化为逼真的照片质量图像的关键。这种技术可以应用于需要复杂数字成像的任何媒体，如游戏、建筑、数字艺术、电影和电视效果以及图像模拟。
它能够有效地渲染多种照明效果，这些效果在计算机图形中必须单独添加，包括：
- 光线追踪
- 景深
- 间接照明
- 环境遮挡
使用准确的建模数据对路径追踪进行建模是关键，这些数据来自各种真实表面、光源和相机，以确定适当的照明效果。路径追踪是详细且无偏见的，具有高度的准确性，适用于生成用于测试其他渲染算法的参考图像。
路径追踪与光线追踪的区别
路径追踪是光线追踪的一种类型。
光线追踪包括广泛的技术和渲染方法，用于对数字图像中的光线传输进行建模。除了路径追踪，光线追踪还包括光线投射、光子映射和递归光线追踪等渲染技术。
与路径追踪不同，光线追踪可以呈现更广泛的视觉效果；它甚至可以模拟声波和光线，实现沉浸式的视听体验。
光线追踪技术细节丰富，保真度高。直到最近，由于对gpu的重负荷要求，使得光线追踪速度较慢。光线追踪和路径追踪通常用于静态图像，而不是电影、动画或游戏，后者需要对每帧进行实时计算以进行渲染。
路径追踪的历史
如何在二维表面上逼真地渲染三维图像的问题，是艺术和数学领域的问题几个世纪以来一直关注的。许多杰出的艺术家开发了复制三维物体的技术，比如16世纪的画家和版画家阿尔布雷希特·杜勒，他使用绳索和重物来准确地将物体映射到画布上。
杜勒的绳索和重物技术是路径追踪技术的早期版本。杜勒的绳索就相当于光线在物体和观察者眼之间传播的路径。
从光线追踪到路径追踪
詹姆斯·卡吉亚是一位博士后计算机工程师，他在20世纪80年代提出了导致路径追踪发展的数学方程。他的研究侧重于使用蒙特卡洛实验，这是一类使用随机性解决确定性问题的计算算法。
他在1986年的论文中提出了一种光线传输方程，这构成了路径追踪的基础。这涉及生成大量的散射事件，这些事件产生的路径从摄像机开始，直到计算机生成的场景中的每个光源为止。
卡吉亚提出的基本光线传输方程后来被发展成了用于当代图形的路径追踪算法。
路径追踪使用光的折射原理在数字图像中发送光线。
©scientificstock/shutterstock.com
路径追踪的工作原理
路径追踪通过使用其基本算法从相机视图中发送光线。
当光线到达图像中的反射或折射表面时，它会继续沿着路径前进，直到碰到光源，并循环该过程，直到到达光源。这样就创建了一条从相机开始到光源结束的“路径”。
由于算法计算的随机性，输出的图像可能会出现噪点，但是累积许多独立路径可以消除这种噪点。生成的路径密度可以计算出包括：
- 间接照明
- 硬阴影和软阴影
- 光泽表面
- 反射和折射
- 镜像
- 区域点光源和定向光源
路径追踪的最先进实现可以在单一统一渲染过程中为图像每个像素积累多达4条路径，这称为高清晰度渲染流水线（hdrp）。
设计师和程序员可以为视频游戏和动画等应用设置路径追踪和其他效果。
他们可以使用各种技术将可编程的光照技术应用于场景，以实现高图形标准。
他们可以利用以下参数进行工作：
- 在最终图像中累积的帧数
- 每条路径中的最小和最大光线反射次数（确定深度）
- 每个光线值的强度-限制强度可以防止超亮像素的出现，但可能使整个图像变暗
图形管道用于为场景添加路径追踪
设计师和程序员使用各种渲染管道来为其场景添加路径追踪。计算机图形管道编程是图形处理单元（gpu）在二维屏幕上渲染三维计算机生成图像所采取的步骤。
图形管道取决于用于处理和显示图像的软件和硬件。图形管道没有通用标准，但开发人员已创建了几个图形应用程序编程接口（api）来统一和标准化gpu的图形处理。
路径追踪和其他渲染效果需要强大的图形处理
在二维屏幕上渲染三维数字图像需要复杂的图形处理。在现代计算中，gpu负责此过程，其专门用于执行复杂的渲染计算，包括路径追踪。
独立的gpu具有专用内存和图形管道，可以减轻cpu完成创建逼真图像和场景所需的渲染计算的压力。路径追踪功能然后成为gpu生成的所有图像的通用光照模型。
gpu可以处理预渲染的三维图形，也可以强大到足以实时生成路径追踪和其他效果。对于处理器而言，路径追踪是一种资源密集型的过程，尤其在游戏中，因为场景是动态且随机变化的。
图形加速器可以提高实时渲染性能
路径追踪和光线追踪通常是缓慢且计算密集的过程，但自2018年以来，gpu已经包含了硬件加速，可以支持实时光线和路径追踪。
图形api的升级已经匹配了处理速度的提升，使得开发人员可以在像视频游戏这样的动态项目中包括实时路径追踪而不会减慢速度。
gpu和图形加速器是同一硬件组件。这个强大的计算单元具有专用处理器、vram、i/o和用于高速图形处理的总线，可以跟上最先进的图形应用程序。
来自https://jingzhengli.com/path-tracing-what-is-it-and-how-does-it-work/nvidia等领先制造商的现代和先进的图形处理器现在对于任何图形密集型应用程序都是必不可少的。
总结
路径追踪是将三维计算机生成的图像呈现在二维屏幕上的最后一步。
光线的模拟使数字图像更加真实。增强的算法和加速的图形处理硬件使得可以对高速动画和高响应性游戏应用路径追踪。
最新一代的gpu，现在被称为图形加速器，已经很好地整合了快速移动图像与路径追踪。
接下来…
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