GLSL Shader特效教程5：高级篇ray tracing（上）

随着技术的飞速发展，手机硬件性能得到了大幅提升，如今手机游戏基本全面进入了3D时代。为了紧跟时代潮流，帮助大家更好地理解3D渲染的原理，今天我们将进入GLSL特效系列的高级篇：光线追踪（ray tracing）。

光线追踪与3D渲染的关系

在探讨光线追踪之前，我们先来了解一下在现实中，人眼是如何观察世界的。

人眼观察世界的原理

1. 光线反射：人眼能够看到物体，是因为光线在物体表面发生反射后进入了人眼。这一过程依赖于光照条件，没有光照，我们就无法看到物体。
2. 物体颜色呈现：不同物体呈现出不同的颜色，这是由于它们的双向反射分布函数（BRDF）属性不同，通俗来讲，就是物体的材质不同。
3. 人眼对光线的敏感度：人眼对光线的明暗最为敏感，其次才是颜色。例如，在光线较暗的场景中，人眼很难分辨物体的颜色，但仍能察觉到物体的存在。

基于以上原理，光照处理方法和计算模型成为了渲染引擎的核心，它们对渲染效果有着根本性的影响。

光线追踪的概念

当光线从物体表面反射并进入人眼时，我们便“发现”了这个物体。那么，其逆过程就是从人眼发出一束光线，当这束光线与物体相交时，物体就被“发现”了。这一逆过程就是我们今天要讨论的光线追踪（ray tracing）。光线追踪包含两个要点：

• 逆向：光线从观察点射出，这与光线进入人眼的正常过程相反。
• 跟踪：跟踪光线的路径，包括折射和反射（基于BRDF）。

由于光线追踪的计算模型与人眼的工作原理非常相似，因此它能够渲染出极其逼真的效果。这也是光线追踪技术成为图形渲染技术发展主要方向的原因。POV-ray是目前光线追踪技术发展的标杆，大家可以到POV-ray官网上查看其渲染效果，简直“以假乱真”。

光线追踪的优缺点

光线追踪需要跟踪光线的路径，这使得计算量大幅增加，因此对GPU的硬件要求较高。在游戏引擎中，由于性能限制，光线追踪的使用相对较少，但在PC上运行则没有太大压力。虽然游戏引擎中很少使用光线追踪技术，但它对于初学者理解3D引擎的渲染过程和原理非常有帮助，尤其是光照部分的计算、相机的工作原理以及透视矩阵的变换。

光线追踪的发展历史

光线追踪技术的发展经历了以下几个阶段：

• 光线投射（ray casting）：其代表应用是3D游戏中的光线拾取（ray picking），通过2D屏幕的坐标计算出对应的3D世界坐标。
• 光线步进（ray marching）：重点在于“步进”，强调光线的前进过程。当光线在前进过程中碰到物体时，便停止前进，然后根据碰撞点和前进距离计算物体的光照模型。
• 光线追踪（ray tracing）：强调“追踪”，当光线碰到物体后，不会立即停止，而是根据物体的BRDF继续跟踪光线的运动路径，包括折射、反射、吸收率和强度衰减等。跟踪迭代的次数越多，计算量越大。光线追踪是在前两者的基础上发展起来的“高级产物”。